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VICERRECTORADO DE INVESTIGACIÓN Y TRANSFERENCIA DE TECNOLOGIA MAESTRÍA EN ENERGÍAS RENOVABLES III PROMOCIÓN TESIS DE GRADO MAESTRIA EN ENERGÍAS RENOVABLES TEMA: ESTUDIO Y SELECCIÓN DE UN FLUIDO TÉRMICO PARA APLICACIONES DE LA ENERGIA SOLAR DE MEDIA TEMPERATURA CON CONCENTRADORES PARABÓLICOSAUTORES: AGUILAR PARDO, ROBERTO EDUARDO FERNÁNDEZ GUARNIZO, DIDIO GUSTAVO DIRECTOR: ING. MSC. IBARRA JACOME, OSWALDO ALEXANDER SANGOLQUÍ 2015

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VICERRECTORADO DE INVESTIGACIÓN Y

TRANSFERENCIA DE TECNOLOGIA

MAESTRÍA EN ENERGÍAS RENOVABLES

III PROMOCIÓN

TESIS DE GRADO MAESTRIA EN ENERGÍAS RENOVABLES

TEMA: “ESTUDIO Y SELECCIÓN DE UN FLUIDO TÉRMICO PARA

APLICACIONES DE LA ENERGIA SOLAR DE MEDIA TEMPERATURA

CON CONCENTRADORES PARABÓLICOS”

AUTORES: AGUILAR PARDO, ROBERTO EDUARDO

FERNÁNDEZ GUARNIZO, DIDIO GUSTAVO

DIRECTOR: ING. MSC. IBARRA JACOME, OSWALDO ALEXANDER

SANGOLQUÍ

2015

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ii

CERTIFICACIÓN DEL DIRECTOR

El suscrito Ing. Oswaldo Alexander Ibarra Jácome MSc., con cedula de identidad

No. 1719535427, en calidad de Director de Tesis de la Maestría en Energías

Renovables,

CERTIFICA

Que el presente proyecto de grado que lleva como título, “ESTUDIO Y

SELECCIÓN DE UN FLUIDO TÉRMICO PARA APLICACIONES DE LA

ENERGIA SOLAR DE MEDIA TEMPERATURA CON

CONCENTRADORES PARABÓLICOS” realizado por los Ingenieros Roberto

Eduardo Aguilar Pardo, de nacionalidad ecuatoriana, con cédula de identidad No.

1712442282, y Didio Gustavo Fernández Guarnizo, de nacionalidad ecuatoriana, con

cédula de identidad No. 1103305346, como requisito para la obtención del título de

Magíster en Energías Renovables, III Promoción de la ESPE, fue desarrollada bajo

mi dirección y asesoría. La misma que cumple con los requerimientos científicos,

tecnológicos y académicos, razón por la cual autorizo su presentación y defensa.

Sangolquí, 19 de mayo de 2015

________________________________

ING. OSWALDO ALEXANDER IBARRA JACOME., MSc.

DIRECTOR

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DECLARACIÓN DE RESPONSABILIDAD

ROBERTO EDUARDO AGUILAR PARDO,

DIDIO GUSTAVO FERNANDEZ GUARNIZO

DECLARAN QUE:

El proyecto de posgrado denominado “ESTUDIO Y SELECCIÓN DE UN

FLUIDO TÉRMICO PARA APLICACIONES DE LA ENERGIA SOLAR DE

MEDIA TEMPERATURA CON CONCENTRADORES PARABÓLICOS”, ha

sido desarrollado con base a una investigación exhaustiva, respetando derechos

intelectuales de terceros, conforme las citas que constan al pie de las páginas

correspondientes, cuyas fuentes se incorporan en la bibliografía.

Consecuentemente este trabajo es de nuestra autoría.

En virtud de esta declaración, nos responsabilizamos del contenido, veracidad y

alcance científico del proyecto de grado en mención.

Sangolquí, 19 de mayo de 2015

_______________________________ ________________________________

ING. ROBERTO E. AGUILAR P. ING. DIDIO G. FERNANDEZ G.

AUTORES

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AUTORIZACIÓN

Nosotros,

ROBERTO EDUARDO AGUILAR PARDO,

DIDIO GUSTAVO FERNANDEZ GUARNIZO

Autorizamos a la Universidad de las Fuerzas Armadas – ESPE, la publicación, en la

biblioteca virtual de la Institución, el trabajo titulado “ESTUDIO Y SELECCIÓN

DE UN FLUIDO TÉRMICO PARA APLICACIONES DE LA ENERGIA

SOLAR DE MEDIA TEMPERATURA CON CONCENTRADORES

PARABÓLICOS”, cuyo contenido, ideas y criterios son de nuestra exclusiva

responsabilidad y autoría.

Sangolquí, 19 de mayo de 2015

________________________________ ________________________________

ING. ROBERTO E. AGUILAR P. ING. DIDIO G. FERNANDEZ G.

AUTORES

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DEDICATORIA

A Dios y a la Virgen Santísima,

a mis Padres y hermanos por su inmenso amor y dedicación.

A mi esposa, por su paciencia.

Roberto Aguilar

Mayo, 2015

Este Trabajo lo dedico a Dios, que es la fuerza que me impulsa todos los días.

A mi esposa Claudia, que representa la fortaleza que sostiene.

A mis hijos Nicole, Camilita y Pablito, mi alegría diaria

A mis padres Didio y Judith, que siempre me brindan su apoyo incondicional.

Didio Fernández

Mayo, 2015

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AGRADECIMIENTOS

A Dios,

A la Escuela de las Fuerzas Armadas,

A Alex Ibarra y José Guasumba.

Roberto Aguilar

Didio Fernández

Mayo, 2015

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INDICE DE CONTENIDO

CERTIFICACIÓN ................................................................................................................... ii

DECLARACIÓN .................................................................................................................... iii

AUTORIZACIÓN .................................................................................................................. iv

DEDICATORIA ...................................................................................................................... v

AGRADECIMIENTOS .......................................................................................................... vi

INDICE DE CONTENIDO ................................................................................................... vii

INDICE DE FIGURAS ............................................................................................................ x

INDICE DE TABLAS .......................................................................................................... xiii

RESUMEN ........................................................................................................................... xvi

ABSTRACT ......................................................................................................................... xvii

CAPÍTULO 1 ......................................................................................................................... 1

GENERALIDADES ............................................................................................................... 1

1.1 ANTECEDENTES ............................................................................................................... 1

1.2 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA ..................................................................................... 2

1.3 OBJETIVOS ........................................................................................................................ 3

1.3.1 GENERAL .......................................................................................................... 3

1.3.2 ESPECÍFICOS .................................................................................................... 4

1.4 ALCANCE ........................................................................................................................... 4

1.5 JUSTIFICACIÓN E IMPORTANCIA DE LA INVESTIGACIÓN. ........................... 4

CAPÍTULO 2 ......................................................................................................................... 5

MARCO TEÓRICO .............................................................................................................. 5

2.1 RADIACIÓN SOLAR ........................................................................................................ 5

2.2 APROVECHAMIENTO SOLAR ..................................................................................... 6

2.2.1 SISTEMAS PASIVOS ........................................................................................ 6

2.2.2 SISTEMAS ACTIVOS ....................................................................................... 7

2.3 EN FUNCION DEL INDICE DE CONCENTRACION ............................................... 7

2.4 EN FUNCIÓN DE LA TEMPERATURA DEL FLUIDO .......................................... 12

2.5 EN FUNCIÓN DEL TIPO DE FLUIDO ....................................................................... 12

2.5.1 EN CCP ............................................................................................................. 13

2.5.2 SISTEMA DE RECEPTOR CENTRAL CON CAMPO DE

HELIOSTATOS ................................................................................................ 13

2.5.3 SISTEMAS DE DISCO PARABÓLICO .......................................................... 13

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2.6 COLECTORES CILINDRO PARABÓLICOS CCP ................................................... 14

2.6.1 COMPONENTES ............................................................................................. 15

2.7 EXPERIENCIAS DE PLANTAS TERMOSOLARES CON CCP INSTALADAS

A NIVEL MUNDIAL ....................................................................................................... 20

CAPÍTULO 3 ....................................................................................................................... 31

FLUIDOS TÉRMICOS ....................................................................................................... 31

3.1 AGUA ................................................................................................................................. 31

3.2 ACEITE TÉRMICO.......................................................................................................... 32

3.2.1 ACEITES MINERALES ................................................................................... 32

3.2.2 ACEITES SINTÉTICOS ................................................................................... 39

3.3 SALES FUNDIDAS ......................................................................................................... 47

3.4 SODIO LÍQUIDO ............................................................................................................. 49

3.5 AGUA – VAPOR .............................................................................................................. 49

3.6 GASES A PRESION ........................................................................................................ 51

3.7 ANÁLISIS COMPARATIVO ENTRE FLUIDOS ...................................................... 51

3.7.1 FLUIDO TÉRMICO EN COMPARACIÓN CON EL AGUA ......................... 51

3.7.2 ACEITE SINTÉTICO EN COMPARACIÓN CON EL ACEITE

MINERAL ..................................................................................................... …52

3.7.3 ACEITE SINTÉTICO EN COMPARACIÓN CON OTROS FLUIDOS ......... 53

3.7.4 AGUA – VAPOR EN COMPARACIÓN CON FLUIDO TÉRMICO ............ 53

3.8 SELECCIÓN DEL ACEITE TÉRMICO ....................................................................... 54

3.9 ACEITES VEGETALES COMO ALTERNATIVA AL FLUIDO DE TRABAJO 56

CAPÍTULO 4 ....................................................................................................................... 57

ANÁLISIS DE RESULTADOS CON ACEITES VEGETALES COMESTIBLES ...... 57

4.1 PROTOTIPO PARA REALIZACIÓN DE PRUEBAS ............................................... 58

4.2 PROCEDIMIENTO PARA ANÁLISIS DE TEMPERATURA Y PRESIÓN ......... 60

4.3 RESULTADOS OBTENIDOS DEL ANÁLISIS DE CALENTAMIENTO ............ 61

4.3.1 ACEITE MARCA “SABROSÓN” ................................................................... 62

4.3.2 ACEITE DE GIRASOL .................................................................................... 67

4.3.3 ACEITE VIVI SOYA ....................................................................................... 72

4.3.4 ACEITE TEGRA ISO 68 .................................................................................. 77

4.4 CARACTERIZACIÓN DE RESULTADOS ................................................................ 79

4.5 ENSAYOS REALIZADOS EN LABORATORIO ...................................................... 82

4.6 PROCEDIMIENTO REALIZADO EN LABORATORIO ......................................... 83

4.7 RESULTADOS OBTENIDOS EN LABORATORIO ................................................ 85

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CAPÍTULO 5 ....................................................................................................................... 90

DIMENSIONAMIENTO DEL SISTEMA HIDRÁULICO ............................................. 90

5.1 BOMBA DE RECIRCULACIÓN .................................................................................. 92

5.1.1 VELOCIDAD DEL FLUIDO, CAUDAL Y NÚMERO DE REYNOLDS ...... 93

5.1.2 PÉRDIDAS DE CARGA EN ACCESORIOS, TUBERÍAS Y EN

INTERCAMBIADOR: ...................................................................................... 96

5.2 CÁLCULO BOMBA DE ALIMENTACIÓN: ........................................................... 104

5.3 DIMENSIONAMIENTO DEL TANQUE DE EXPANSIÓN .................................. 106

CAPÍTULO 6 ..................................................................................................................... 112

ANÁLISIS ECONÓMICO DE COSTOS DE LA INVESTIGACIÓN ......................... 112

6.1 CONSTRUCCIÓN DE PROTOTIPO PARA CALENTAMIENTO DE

MUESTRAS .................................................................................................................... 112

6.1.1 SISTEMA DE MEDICIÓN Y AUXILIARES ................................................ 113

6.2 COSTOS DE LOS ENSAYOS EXPERIMENTALES .............................................. 114

6.3 COSTOS DE LOS ENSAYOS EN LABORATORIO .............................................. 115

6.4 COSTOS VARIOS .......................................................................................................... 116

CAPÍTULO 7 ..................................................................................................................... 118

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................................... 118

7.1 CONCLUSIONES ............................................................................................................... 118

7.2 RECOMENDACIONES ..................................................................................................... 119

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS: ............................................................................ 121

ANEXOS ............................................................................................................................. 124

ANEXO 1TEXATHERM 46 ............................................................................................... 125

ANEXO 2 SHELL THERMIA ............................................................................................ 129

ANEXO 3 MOBILTHERM 600 .......................................................................................... 133

ANEXO 4 THERMINOL VP-1 ........................................................................................... 135

ANEXO 5 SYLTHERM 800 ............................................................................................... 140

ANEXO 6 DOWTHERM A ................................................................................................ 142

ANEXO 7 TEGRA SYNTHETIC ....................................................................................... 144

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INDICE DE FIGURAS

Figura1. Clasificación de los sistemas solares térmicos en función de la

concentración. .............................................................................................. 8

Figura 2. Concentrador Tipo Cilindro Parabólico....................................................... 9

Figura 3. Colector demostración Fresnel lineal MAN, en la plataforma Solar de

Almería (PSA). ............................................................................................ 9

Figura 4. Sistema de Receptor central....................................................................... 10

Figura 5. Concentrador Tipo Disco Parabólico......................................................... 10

Figura 6. Principio de funcionamiento y componentes de un CCP. ......................... 14

Figura 7. Sección transversal de la estructura del diseño LS-2 y LS-3..................... 15

Figura 8. Colector de Sener en la Planta Andasol-1. ................................................ 16

Figura 9. Componentes del Tubo Receptor............................................................... 17

Figura 10. Diferentes tipos de mecanismos de accionamiento. ................................ 18

Figura 11. Componentes del Tubo Receptor............................................................. 19

Figura 12. Componentes del concentrador cilindro parabólico. ............................... 19

Figura 13. Una de las centrales SEGS en el desierto de Mojave en California. ....... 21

Figura 14. Planta Solar Andasol 1............................................................................. 23

Figura 15. Plantas Solares Andasol 1 y 2. ................................................................. 23

Figura 16. Planta Solar Puerto Llano. ....................................................................... 24

Figura 17. Planta Solar Nevada Solar One................................................................. 25

Figura 18. Planta Solar Solnova. ................................................................................ 26

Figura 19. Plantas Solares Helioenergy 1 y 2. ........................................................... 26

Figura 20. Planta Solar El Carpio. ............................................................................. 27

Figura 21. Plantas Solares Helios 1 y 2...................................................................... 28

Figura 22. Plantas Solares Solaben 2, 3, 1, 6. ............................................................ 28

Figura 23. Planta Gas - Solar Hassi R´Mel. ............................................................... 29

Figura 24. Planta Solar Shamn-1. .............................................................................. 30

Figura 25. Planta Solar Solana. .................................................................................. 30

Figura 26. Variación de la densidad del Shell Thermia B y del Texatherm 46 con

la temperatura .......................................................................................... 38

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Figura 27. Variación del calor específico del Shell Thermia B y del Texatherm 46

con la temperatura. .................................................................................... 38

Figura 28. Variación de la conductividad térmica del Shell Thermia B y del

Texatherm 46 con la temperatura. ........................................................... 39

Figura 29. Variación de la densidad con la temperatura. ........................................... 45

Figura 30. Variación del calor específico con la temperatura. ................................... 45

Figura 31. Variación de la conductividad térmica con la temperatura. ..................... 46

Figura 32. Variación de la viscosidad con la temperatura. ........................................ 46

Figura 33. Propiedades físicas de la sal fundida Hitec XL, junto con las del aceite

Therminol VP1 – Calor Específico. ........................................................ 48

Figura 34. Propiedades físicas de la sal fundida Hitec XL, junto con las del aceite

Therminol VP1 - Densidad ..................................................................... 48

Figura 35Propiedades físicas de la sal fundida Hitec XL, junto con las del aceite

Therminol VP1 – Conductividad térmica. .............................................. 49

Figura 36. Bosquejo de equipo calentador de muestras de aceite. ............................. 59

Figura 37. Equipo construido para el calentamiento de aceite................................... 60

Figura 38. Presentación en funda de ½ litro de aceite “Sabrosón”. ........................... 62

Figura 39. Variación de la presión debido al aumento de temperatura en el aceite

marca “Sabrosón”. ................................................................................... 66

Figura 40. Aceite sabrosón antes y después del calentamiento. ................................ 66

Figura 41. Aceite Girasol. .......................................................................................... 67

Figura 42. Variación de la presión debido al aumento de temperatura en el aceite

de Girasol. ............................................................................................... 71

Figura 43. Aceite Girasol antes y después del calentamiento. ................................... 71

Figura 44. Aceite Vivi soya. ...................................................................................... 72

Figura 45. Variación de la presión debido al aumento de temperatura en el aceite

de Vivi Soya. ........................................................................................... 76

Figura 46. Aceite Vivi Soya antes y después del calentamiento. ............................... 76

Figura 47. Variación de la presión debido al aumento de temperatura en el aceite

Tegra 68................................................................................................... 78

Figura 48. Aceite Tegra 68 antes y después del calentamiento. ................................ 79

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xii

Figura 49. Variación de la presión vs temperatura de los tres aceites comestibles

y un aceite sintético en el primer mes de calentamiento. ........................ 80

Figura 50. Variación de la presión vs temperatura de los tres aceites comestibles

y un aceite sintético en el segundo mes de calentamiento. ..................... 81

Figura 51. Ecuaciones polinómicas de los aceites sabrosón y girasol. ...................... 82

Figura 52. Equipos de laboratorio .............................................................................. 84

Figura 53. Pesaje de muestra de aceite a ser calentada. ............................................. 85

Figura 54. Relación Temperatura - densidad del aceite sabrosón .............................. 87

Figura 55. Relación 1/T versus viscosidad del aceite ................................................ 88

Figura 56. Prototipo de central termo solar, ubicado en la terraza del laboratorio

de energías renovables de la ESPE – Sangolquí. .................................... 90

Figura 57. Dimensiones y distribución de los 18 CCP del prototipo de central

termo solar. .............................................................................................. 91

Figura 58. Dimensiones del campo solar por tramos ................................................. 96

Figura 59. Diagrama de Moody: Factor de fricción f para tuberia de 25.4 mm a

150°C. ...................................................................................................... 97

Figura 60. Diagrama de Moody: Factor de fricción f para tubería de 32mm a

temperatura de 150°C .............................................................................. 98

Figura 61. Nomogramas de la longitud equivalente de elementos singulares ......... 102

Figura 62. Selección de la bomba considerando la curva de rendimiento. .............. 106

Figura 63 Dimensiones del intercambiador de calor. .............................................. 110

Figura 64. Dimensiones de tanque de expansión. .................................................... 111

Figura 65. Cilindro para calentamiento de muestras de aceite................................. 113

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INDICE DE TABLAS

Tabla 1 Características principales de las diferentes centrales termo solares ............ 11

Tabla 2 Características básicas de las plantas SEGS-I a SEGS-IX ........................... 22

Tabla 3 Características típicas del aceite Texatherm 46 ............................................ 35

Tabla 4 Propiedades físicas y térmicas versus temperatura ....................................... 35

Tabla 5 Propiedades físicas y térmicas versus temperatura (SI Unidades) ................ 35

Tabla 6 Características típicas del aceite Shell Thermia B ........................................ 36

Tabla 7 Propiedades físicas y térmicas versus temperatura ....................................... 36

Tabla 8 Propiedades físicas y térmicas versus temperatura (SI Unidades) ................ 37

Tabla 9 Características típicas del aceite Mobiltherm 605 ........................................ 37

Tabla 10 Características típicas del aceite Therminol VP-1 ...................................... 42

Tabla 11 Propiedades físicas y térmicas versus temperatura, fase líquida ................ 42

Tabla 12 Características típicas del aceite Syltherm 800 ........................................... 43

Tabla 13 Propiedades físicas y térmicas versus temperatura, fase líquida ................ 43

Tabla 14 Características típicas del aceite Dowtherm A ........................................... 44

Tabla 15 Propiedades físicas y térmicas versus temperatura, fase líquida ................ 44

Tabla 16 Comparación de diversos fluidos de trabajo alternativos al aceite

térmico ....................................................................................................... 53

Tabla 17 Productores de aceites de cocina ................................................................. 58

Tabla 18 Presión a diferentes temperaturas del aceite sabrosón, primer mes de

calentamiento ............................................................................................. 63

Tabla 19 Presión a diferentes temperaturas del aceite sabrosón, segundo mes de

calentamiento ............................................................................................. 64

Tabla 20 Promedio de Presión a diferentes temperaturas del aceite sabrosón,

primer mes de calentamiento ..................................................................... 65

Tabla 21 Promedio de presión a diferentes temperaturas del aceite sabrosón,

segundo mes de calentamiento .................................................................. 65

Tabla 22 Presión a diferentes temperaturas del aceite Girasol, primer mes de

calentamiento ............................................................................................. 68

Tabla 23 Presión a diferentes temperaturas del aceite Girasol, segundo mes de

calentamiento ............................................................................................. 69

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xiv

Tabla 24 Presión a diferentes temperaturas del aceite girasol, primer mes de

calentamiento ............................................................................................. 70

Tabla 25 Presión a diferentes temperaturas del aceite Girasol, segundo mes de

calentamiento ............................................................................................. 70

Tabla 26 Presión a diferentes temperaturas del aceite Vivi soya, primer mes de

calentamiento ............................................................................................. 73

Tabla 27 Presión a diferentes temperaturas del aceite Vivi soya, segundo mes de

calentamiento ............................................................................................. 74

Tabla 28 Presión a diferentes temperaturas del aceite Vivi soya, primer

calentamiento ............................................................................................. 75

Tabla 29 Presión a diferentes temperaturas del aceite vivi soya, segundo mes de

calentamiento ............................................................................................. 75

Tabla 30 Características típicas del aceite Tegra Iso 68 ............................................ 77

Tabla 31 Presión a diferentes temperaturas del aceite Tegra 68, primer mes de

calentamiento ............................................................................................. 77

Tabla 32 Presión a diferentes temperaturas del aceite Tegra 68, segundo mes de

calentamiento ............................................................................................. 78

Tabla 33 Valores de densidad de las muestras de aceite ............................................ 86

Tabla 34 Densidad y viscosidad del aceite sabroson proyectada. .............................. 89

Tabla 35 Variación de Re con diámetro de tubería de 0.0254 m (1”) de acuerdo a

la temperatura ............................................................................................ 94

Tabla 36 Número de Reynolds para el aceite sabrosón para tubería de diámetro

interno = 0.0254 m y 0.032 m a diferentes temperaturas .......................... 95

Tabla 37 Longitud total de tubería en el campo solar ................................................ 99

Tabla 38 Número de accesorios utilizados en la planta ........................................... 101

Tabla 39 Perdidas de carga en accesorios ................................................................ 103

Tabla 40 Longitud de tubería en el intercambiador ................................................. 103

Tabla 41 Densidad del aceite sabrosón a 20°C y 300°C .......................................... 108

Tabla 42 Volumen de aceite en tuberías del campo solar ........................................ 109

Tabla 43 Costos de fabricación del prototipo para calentamiento de muestras ....... 112

Tabla 44 Costos de implementación de equipos ...................................................... 113

Tabla 45 Costos de ensayos experimentales ............................................................ 114

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xv

Tabla 46 Costos de ensayos en laboratorio .............................................................. 115

Tabla 47 Costos varios ........................................................................................... 1166

Tabla 48 Costos totales de la investigación ............................................................. 116

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xvi

RESUMEN

En el presente proyecto de investigación se realizó la selección de los fluidos

térmicos que se pueden emplear en una central termosolar con colectores cilindro

parabólicos (CCP), específicamente para un prototipo comprendido de 18 receptores

parabólicos, distribuidos en tres filas en paralelo de 6 receptores en serie cada uno,

mediante experiencias obtenidas en otras plantas termosolares que se encuentran

actualmente en funcionamiento, además se realizó análisis experimentales a cuatro

tipos de aceites que se encuentran disponibles en el país, tres de ellos son aceites

comestibles y uno es aceite sintético industrial, el tiempo de análisis con los aceites

ha sido realizado durante dos meses, las pruebas consistieron en incrementar la

temperatura, partiendo de temperatura ambiente 20°C hasta 250°C, para esto se

construyó un prototipo para poder elevar la temperatura del aceite, en los cuales se

obtuvieron valores de presión y densidad. Con los valores obtenidos se realizó el

análisis y presentación de resultados de la investigación y posteriormente el

dimensionamiento de la bomba de circulación y tanque de expansión, para finalizar

con conclusiones y recomendaciones del proyecto.

PALABRAS CLAVE:

CENTRALES TERMOSOLARES,

CONCENTRADOR CILÍNDRICO PARABÓLICO,

FLUIDO TÉRMICO,

HTF.

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xvii

ABSTRACT

In this research project the selection of thermal fluids that can be used in a solar

power plant with parabolic trough collectors (CPC), specifically for a parabolic

understood prototype 18 receivers, distributed in three parallel rows 6 receptors was

carried out in series each, using experience gained in other solar thermal plants are

currently in operation, in addition experimental analyzes four types of oils that are

available in the country took place, two of them are edible oils and two are industrial

synthetic oils, analysis time with oils has been performed for two months, the tests

consisted of raising the temperature starting from room temperature 20 ° C to 250 °

C, for this prototype in order to raise the oil temperature was constructed, in which

values of pressure, density, flash point is obtained and boiling, with the obtained

values the analysis and presentation of research results and then sizing the circulation

pump to finish with conclusions and recommendations of the project was completed.

KEY WORDS:

• SOLAR THERMAL POWER PLANTS,

• CYLINDRICAL PARABOLIC CONCENTRATOR,

• THERMAL FLUID,

• HTF.

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ESTUDIO Y SELECCIÓN DE UN FLUIDO TÉRMICO PARA

APLICACIONES DE LA ENERGIA SOLAR DE MEDIA

TEMPERATURA CON CONCENTRADORES PARABÓLICOS

Los procesos de generación de energía eléctrica se los realiza normalmente

utilizando recursos fósiles que no son renovables y además son contaminantes, tales

como bunker, diésel, es por este motivo que una alternativa es emplear como

combustible la energía solar a través de su aprovechamiento en sistemas de

concentración, para el caso de este proyecto se lo realiza mediante captadores

cilindro parabólicos, para que calienten un fluido de trabajo denominado fluido

caloportador o fluido térmico, el cual pasa por un intercambiador de calor pudiendo

ser aprovechado como trigeneración (trabajo mecánico, frío, calor) según sea la

necesidad, y ser instalado en diversas localidades del país. En este proyecto de

investigación se analizan los fluidos térmicos que actualmente se encuentran

instalados y en funcionamiento en diversas centrales termosolares a nivel mundial,

para poder seleccionar el fluido más idóneo que puede ser aplicado en un prototipo

de central termosolar con concentradores cilindro parabólicos de media temperatura,

ubicado en la ESPE Sangolquí, conformada por una estructura de 18 captadores

formados en tres filas en paralelo de 6 captadores en serie cada uno, en donde se

manejaran temperaturas que puedan alcanzar hasta los 250°C, para esto se presenta el

siguiente trabajo que se encuentra dividido en varios capítulos, en el Capítulo 1 se

describen las generalidades del proyecto presentando antecedentes, definición del

problema, objetivos, alcance y justificación e importancia de la investigación, en el

Capítulo 2 se presenta el estado del arte de centrales termosolares utilizando

colectores cilindro parabólicos y teoría del aprovechamiento solar, en el Capítulo 3

se realiza el estudio de los fluidos térmicos y la selección, en el Capítulo 4 se

presenta el análisis de resultados de ensayos realizados con tres aceites vegetales

comestibles y un aceite sintético, en el Capítulo 5 se presenta el dimensionamiento

del sistema hidráulico, en el Capítulo 6 se genera el análisis de costos y finalmente

en el Capítulo 7 se presentan conclusiones y recomendaciones de la investigación

realizada.

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CAPÍTULO 1

GENERALIDADES

1.1 ANTECEDENTES

A partir de la crisis energética de 1972 debido al incremento repentino del precio

del petróleo, muchos países tomaron como política de estado el fomentar y aplicar

energías renovables tanto para el sector industrial como para la comunidad. Dentro

de éste ámbito se han realizado implementaciones de grandes, pequeñas y medianas

centrales para aprovechamiento de la energía solar térmica de media y alta

temperatura utilizando fluidos térmicos como: agua, aceite térmico, sales fundidas,

vapor sobrecalentado.

Las plantas con colectores cilindro parabólicos (CCP) son las que cuentan

actualmente con una mayor experiencia comercial, gracias a las nueve plantas SEGS

(Solar Electricity Generating Systems) actualmente en operación en el desierto de

Mojave California - Estados Unidos, con sus más de 2,5 millones de metros

cuadrados de CCP, son el mejor ejemplo del estado del arte de esta tecnología. Con

una capacidad de producción en régimen comercial de 354 MWe, las plantas SEGS

han acumulado una gran experiencia en el diseño e implementación de este tipo de

centrales.

La primera planta termosolar conectada a la red se llamó “SEGS I” y entró en

operación en el año 1984, con una potencia nominal de 13.8MWe, el campo de

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colectores se encontraba en un área aproximada de 82969m2, compuesta por 560

colectores, instalados en 140 filas paralelas

Luego en 1992 el precio de la electricidad baja en EEUU, y no se construyó

ninguna central durante aproximadamente dieciseis años, hasta que Solargenix

junto con Acciona ponen en operación la planta solar Nevada Solar One con 64 MW,

ubicada en Nevada Estados Unidos en el año 2007. Y luego hasta finales del año

2012 ya se encontraban en operación 53 centrales termosolares (Zarza E. , 2013).

Este elevado número de centrales hace que el riesgo tecnológico sea menor que en

las otras tecnologías.

En lo referente a la tecnología de concentración desarrollados en el Ecuador, en

el laboratorio de Energías Renovables de la ESPE - Sangolquí, concretamente en el

año 2005, se implementó una pequeña cocina solar con concentradores parabólicos,

la cual utilizaba aceite térmico como fluido de trabajo. Posteriormente en el año 2008

se implementa un concentrador parabólico de revolución para concentrar la radiación

solar en un foco por donde circula aceite térmico en un intercambiador de calor de

forma espiral

Con estos antecedentes se pretende desarrollar como parte del “Mega proyecto de

investigación y desarrollo de aplicaciones de la energía solar térmica de media y alta

temperatura para trigeneración utilizando sistemas de concentración” un estudio de

los fluidos térmicos disponibles en el país, y que se puedan incorporar al prototipo de

una central termosolar con concentradores cilindro parabólicos, que facilite mejores

prestaciones para la investigación y el desarrollo de aplicaciones para beneficio de

las comunidades Ecuatorianas.

1.2 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA

En la actualidad el desarrollo de las energías renovables en el área de sistemas de

concentración solar en el país es incipiente, a diferencia de otros países en los cuales

utilizan esta tecnología para la generación de electricidad a gran escala a través de

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plantas termosolares. Esta tecnología tiene un gran interés social, económico y

ambiental, al encontrar la viabilidad necesaria por el gran potencial solar que existe

en la región.

Para que en el país esta alternativa energética tenga un auge comercial, es

necesario contribuir y profundizar las investigaciones en el campo de la

concentración de la energía solar. Ante esto es necesario dar el primer paso en el

diseño y construcción de prototipos que deben estar orientadas al aprovechamiento

de la energía solar, la concentración de la radiación solar y su conversión en energía

térmica para producir energía mediante ciclos termodinámicos.

Para cumplir con este cometido en esta tesis se estudian los fluidos

caloportadores o conocido también como tecnología HTF, existente en el medio y así

lograr un adecuado uso y manejo de los propios recursos.

El principal problema en cuanto a los fluidos térmicos es encontrar un fluido que

pueda ser operado a temperaturas superiores a los 200°C, manteniéndose estable

térmicamente, debido a la degradación parcial que sufren los aceites y al riesgo de

incendio que conlleva de producirse fugas cuando están calientes.

En la presente investigación se va a determinar el fluido que permita trabajar en

el prototipo de central termo solar con concentradores cilindro parabólicos, cuya

temperatura oscile un rango de 150°C a 250°C, sin riesgo de congelamiento ni de

inflamación del fluido.

1.3 OBJETIVOS

1.3.1 GENERAL

Investigar los fluidos térmicos existentes en el medio y seleccionar el más idóneo

para su aplicación en una central solar térmica de media temperatura.

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1.3.2 ESPECÍFICOS

Realizar pruebas experimentales a fluidos existentes en el país, para

determinar la factibilidad de su uso en centrales termosolares prototipo.

Determinar la metodología de operación del fluido para la aplicación en la

planta solar térmica de media temperatura.

Realizar el dimensionamiento del sistema hidráulico para circulación del

fluido térmico en el prototipo de concentrador cilindro parabólico.

1.4 ALCANCE

A través de análisis de laboratorio determinar la posibilidad de utilizar aceite

comestible como fluido caloportador e indicar el fluido térmico que cumpla con los

requerimientos energéticos de manera eficiente en la captación y transferencia de

calor en el prototipo de la central térmica solar de media temperatura.

1.5 JUSTIFICACIÓN E IMPORTANCIA DE LA INVESTIGACIÓN.

Siendo la radiación solar una fuente de energía renovable e inagotable y de gran

incidencia en el Ecuador, es necesario aprovechar este recurso mediante la

construcción de plantas solares fotovoltaicas y térmicas de media y alta temperatura.

En lo referente a este último, uno de los componentes principales en el

dimensionamiento y aplicación de plantas solares térmicas es el fluido de proceso,

por esta razón es necesaria la investigación sobre materiales térmicos presentes en el

medio que permitan maximizar el aprovechamiento de la energía solar captada

mediante concentradores solares.

Es necesario indicar que el fluido térmico debe cumplir con algunas condiciones

de mercado como son: disponibilidad, costo, eficiencia de almacenamiento de

energía, fácil manejo y de bajo impacto ambiental. Además se deben considerar

algunas características propias del fluido como son: coeficiente de expansión,

viscosidad, capacidad térmica, punto de congelación y punto de inflamación.

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CAPÍTULO 2

MARCO TEÓRICO

En el presente capítulo, se introducen conceptos básicos de la energía solar y del

tipo de sistemas de centrales termosolares desarrolladas hasta el momento, para un

mejor entendimiento del trabajo de investigación, ya que en este trabajo se presenta

tan solo un componente (fluido térmico) que forma parte de un gran sistema como es

una central termo solar de media temperatura.

2.1 RADIACIÓN SOLAR

Se considera al sol como un cuerpo negro que radia energía a temperatura

aproximada de 5780K, y su energía en forma de radiación mantiene casi en su

totalidad la vida en la Tierra. (Montes, 2008)

No toda la radiación solar que incide sobre la atmósfera llega a la superficie

terrestre, debido a los fenómenos físicos generados por la atmósfera, tales como:

(AVEN, 2009)

Reflexión: Una parte de la radiación es reflejada en la parte superior de las nubes.

Difusión: Los rayos solares chocan con las moléculas gaseosas y partículas de

polvo difundiéndose en todas direcciones, de forma que una parte

vuelve al espacio.

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Absorción: Una parte de la radiación es absorbida por las moléculas presentes en

la atmósfera.

De tal forma que en la superficie terrestre se tendrá la radiación global (Hg)

formada por las siguientes componentes:

a. Radiación Directa (Hb): Es la proveniente directamente del sol sin

perturbaciones o alteraciones, suponiéndose alrededor del 90% en días

soleados.

b. Radiación Difusa (Hd): Es la que se encuentra dispersada debido a los

componentes atmosféricos.

c. Radiación Reflejada (Hr): Conocida también como “albedo”, es aquella

radiación reflejada en el suelo y otros elementos de la superficie terrestre.

2.2 APROVECHAMIENTO SOLAR

El aprovechamiento de la energía solar por medio de su captación puede dividirse

en dos sistemas:

2.2.1 SISTEMAS PASIVOS

No necesita ningún tipo de dispositivo para captar la energía solar, únicamente se

lo hace aplicando elementos arquitectónicos, se introduce el concepto de arquitectura

bioclimática en el diseño de edificaciones para aprovechar al máximo los recursos

disponibles tales como el sol, viento, y otros, para reducir el consumo energético y

minimizar el impacto ambiental.

Un diseño pasivo es un sistema que capta la energía solar, la almacena y la

distribuye de forma natural, sin necesidad de elementos mecánicos. Sus principios

están basados en las características de los materiales empleados y en la utilización de

fenómenos naturales de circulación del aire. Los elementos básicos usados por la

arquitectura solar pasiva son:

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Acristalamiento: capta la energía solar y retiene el calor, creando el efecto

invernadero.

Masa térmica: constituida por los elementos estructurales del edificio o por

algún material acumulador específico (agua, tierra, piedras). Tiene como

misión almacenar la energía captada.

Las aplicaciones más importantes de los sistemas solares pasivos son la

calefacción y la refrigeración. En estos sistemas las temperaturas de almacenamiento

son usualmente menores a 40°C, es necesario conocer las propiedades de los

materiales como la densidad y el calor específico para aprovechar los recursos

disponibles.

2.2.2 SISTEMAS ACTIVOS

Son aquellos en los que se necesita de dispositivos llamados colectores para

captar la radiación solar, dentro de esta clasificación la energía solar puede ser

aprovechada principalmente de dos maneras, la primera es en función del efecto

fotoeléctrico, con el que se consigue generar electricidad directamente a través de

paneles fotovoltaicos. La segunda forma de aprovechamiento es transformar la

energía radiante procedente del sol en energía térmica, utilizada para el

calentamiento de algún fluido.

Dentro del aprovechamiento solar térmico se pueden obtener varias

clasificaciones, en función del índice de concentración, de la temperatura del fluido,

del tipo de fluido, etc.

2.3 EN FUNCION DEL INDICE DE CONCENTRACION

La concentración de la radiación solar se consigue con dispositivos ópticos,

generalmente conocidos como colectores de concentración, que constan de un

concentrador y de un receptor, el factor o razón de concentración normalmente

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denominado con la letra “C”, se define como el cociente entre el área de apertura del

concentrador y el área de absorción del receptor (Paredes, 2012)

𝐶 =𝐴𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑝𝑒𝑟𝑡𝑢𝑟𝑎𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟

𝐴𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑐𝑖ó𝑛𝑑𝑒𝑙 𝑟𝑒𝑐𝑒𝑐𝑝𝑡𝑜𝑟 (1)

Dónde:

C Razón de concentración (adimensional);

Área de apertura, m2;

Área de absorción, m2.

El concentrador es el sistema óptico, que dirige o refleja la radiación hacia el

receptor.

El receptor, es el elemento donde la radiación es absorbida y se convierte en energía

térmica o química.

A continuación se presenta un esquema de la clasificación de los colectores solares

en función de la concentración “C”.

. Colectores no vidriados

sin concentración . Colectores de placa plana

c=1 . Colectores de vacío

Tipos de colectores solares

atendiendo a la razón de

concentración, c . Sistemas cilindro parabólicos y

con concentración Fresnel 30 < c < 90

c > 1 . Sistema de torre central

200 < c < 1000

. Discos parabólicos

1000 < c < 5000

Figura 1. Clasificación de los sistemas solares térmicos en función de la concentración.

Fuente: (Muñoz, 2008)

De la figura anterior se puede mencionar que, generalmente se diseñan los colectores

sin concentración C=1, para aplicaciones de baja temperatura (de 100 a 130C), son

sistemas que no presentan complejidad en la parte mecánica ya que no necesitan de

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seguimiento de la trayectoria solar y se puede aprovechar la radiación directa y la

radiación difusa. Para los sistemas con concentración mayor a uno C >1, se tiene:

a. Sistemas cilindro parabólicos consisten en espejos cilíndricos cuya sección

transversal es una parábola, permitiendo que la radiación solar se concentre

en el eje focal. Se consiguen razones de concentración entre 30 y 90.

Figura 2. Concentrador Tipo Cilindro Parabólico.

Fuente: (Briceño, 2011).

b. Concentradores lineales tipo Fresnel tiene seguimiento en un solo eje, el

absorbedor se encuentra fijo en el espacio, en la zona focal. Utiliza

reflectores planos, simulando un espejo curvo por variación del ángulo

ajustable de cada fila individual de espejos, en relación con el absorbedor, su

valor de concentración está de 30 a 90.

Figura 3. Colector demostración Fresnel lineal MAN, en la plataforma Solar de Almería (PSA).

Fuente: (PSA, 2015).

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c. Los sistemas de torre central están formados por espejos casi planos

denominados helióstatos, distribuidos en una superficie horizontal, e

inclinados de tal forma que reflejen la radiación solar hacia la parte superior

de la torre, donde generalmente se coloca el receptor. Tiene seguimiento solar

en dos ejes, los factores de concentración que se consiguen en este caso

oscilan entre 200 y 1000.

Figura 4. Sistema de Receptor central.

Fuente: (Briceño, 2011).

d. Los discos parabólicos son espejos tipo paraboloide de revolución, que se

mueven de forma que siempre están orientados al Sol. se consiguen razones

de concentración más altas, entre 1000 y 5000. (Paredes, 2012)

Figura 5. Concentrador Tipo Disco Parabólico.

Fuente: (Briceño, 2011).

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Los cuatro tipos de sistemas solares térmicos de concentración descritos

anteriormente han sido probados y su viabilidad técnica ha sido demostrada en

distintos proyectos experimentales y comerciales, contándose con experiencias de

referencia en todas estas tecnologías en las instalaciones que el CIEMAT (Centro de

Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas) posee en la

Plataforma Solar de Almería (PSA), y en otros centros públicos de investigación,

como Sandia National Laboratories (Estados Unidos). (Zarza E. , 2013)

A continuación se presenta una tabla resumen comparativa de las tecnologías

mencionadas.

Tabla 1

Características principales de las diferentes centrales termosolares

Tipo de Central CCP Receptor

Central

Discos

Parabólicos

CLF

Potencia unitaria

Temperatura de Operación

Eficiencia Pico (solar-eléctrica)

Eficiencia Neta anual

15–200 MW

395°C

20%

11-16%

15–150 MW

550°C

23%

7-20%

3–25 kW

650°C

30%

12-25%

15–200 MW

390°C

18%

12%

Estado comercial

Riesgo Tecnológico

Almacenamiento disponible

Posibles diseños híbridos

Disponible

Bajo

Si

Si

Disponible

Medio

Si

Si

Prototipos

Alto

No

Si

Disponible

Medio

Si

Si

Costo W instalado (€ /W) 4 – 6 4 – 6 9 – 11 3 – 4

Fuente: (Zarza E. , 2013)

Las únicas tres plantas comerciales de receptor central que existían en

funcionamiento a finales del año 2012 eran españolas: PS-10 (10 MWe), PS-20 (20

MWe) propiedad de Abengoa, y la planta GEMASOLAR (19,9 MWe) de

TORRESOL Energy.

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2.4 EN FUNCIÓN DE LA TEMPERATURA DEL FLUIDO

Esta clasificación se obtiene de la temperatura del fluido transportador que se

mueve a través del receptor, pudiendo ser de baja media y alta temperatura. (Paredes,

2012) (Muñoz, 2008)

Baja Temperatura (30 a 130C): Estos sistemas tienen un índice de concentración

igual a uno C=1, su funcionamiento se basa en el aprovechamiento de la radiación

directa y de la radiación difusa, sus aplicaciones básicamente están dirigidos a

calentamiento de agua sanitaria, calefacción, piscinas, labores de secado y mas.

Media Temperatura (100 a 400C): Estos sistemas tienen el índice de

concentración entre 30 y 90, se basan principalmente en concentradores lineales tipo

Fresnel y colectores cilíndrico parabólicos, siendo esta última la que actualmente se

encuentra más desarrollada, se utiliza principalmente en procesos industriales,

refrigeración, procesos químicos, desalinización.

Alta Temperatura (400 a 3000C): Estos sistemas tienen el índice de concentración

entre 200 y 5000, los sistemas de torre central están constituidos por espejos

levemente convexos, denominados helióstatos, que reflejan la radiación solar hacia la

parte superior de la torre donde se ubica al receptor, el factor de concentración se

encuentra entre 200 y 1000. Mientras que los discos parabólicos son espejos tipo

paraboloide de revolución que siempre se encuentran orientados hacia el sol, se

obtienen factores de concentración entre 1000 y 5000.

2.5 EN FUNCIÓN DEL TIPO DE FLUIDO

El tipo de fluido de trabajo utilizado depende de la tecnología con la que se

trabaje y de la temperatura a la que se desee alcanzar.

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2.5.1 EN CCP

Si las temperaturas que se desean son moderadas (<175ºC) se puede utilizar agua

desmineralizada como fluido de trabajo al no tener grandes problemas, ya que la

presión de trabajo no es excesiva. En cambio, se utiliza aceite sintético en aquellas

aplicaciones donde se desean temperaturas más altas ( 125ºC < T < 400ºC).

2.5.2 SISTEMA DE RECEPTOR CENTRAL CON CAMPO DE

HELIOSTATOS

En los sistemas desarrollados en España, dentro de las instalaciones que CIEMAT

tiene en la Plataforma Solar de Almería, los fluidos térmicos utilizados en el receptor

han sido sodio líquido, vapor saturado o sobrecalentado, sales de nitratos fundidas y

aire (Romero, s.f.), en este tipo de sistemas se puede llegar a temperaturas de 1000C

siendo por lo general la temperatura de operación promedio de 600C.

2.5.3 SISTEMAS DE DISCO PARABÓLICO

Habitualmente, se usan dos métodos para la transferencia de la radiación solar al

gas de trabajo. En el primero se ilumina directamente un panel de tubos por el

interior de los cuales circula el gas que suele ser helio, hidrógeno o aire. En el

segundo método, se utiliza el concepto de tubo de calor o heat pipe, vaporizándose

un metal líquido (normalmente sodio) que luego condensa en la superficie de los

tubos por los que circula el gas de trabajo y refluye nuevamente al absorbedor.

(Romero, s.f.)

Esto permite alcanzar muy altas temperaturas de operación entre 650 y 800ºC, dando

lugar a eficiencias en el motor Stirling del orden del 30 al 40 %.

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2.6 COLECTORES CILINDRO PARABÓLICOS CCP

Los colectores cilindro parabólicos, permite reflejar la radiación solar incidente

sobre una superficie reflectante en forma de parábola, denominada “concentrador”,

hacia un tubo absorbente de menor dimensión denominado “receptor”, ubicado en la

línea focal de la parábola, permitiendo concentrar la radiación solar a lo largo de un

eje.

La radiación concentrada sobre el tubo absorbente hace que el fluido que circula por

su interior se caliente, transformando de esta forma la radiación solar en energía

térmica, en forma de calor sensible o latente del fluido. (Romero, s.f.)

Figura 6. Principio de funcionamiento y componentes de un CCP.

Fuente: (Zarza E. , Generación directa de vapor con colectores solares cilindro parabólicos Proyecto

(DISS), 2003).

Los colectores cilindro parabólicos (CCP) son captadores solares de concentración,

que calientan al fluido de trabajo hasta temperaturas aproximadas a los 400ºC, por tal

motivo se denominan colectores solares de media temperatura. (Paredes, 2012)

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2.6.1 COMPONENTES

Cimentación y Estructura Soporte

La cimentación es construida principalmente de hormigón armado, con la

función de permitir soportar y fijar la estructura de los colectores al piso,

además de soportar el peso.

La estructura tiene por misión dar rigidez al conjunto de elementos que lo

componen y además sirve como la conexión con la cimentación.

Fig. 7.a Colector LS-2 Fig. 7.b Colector LS-3

Figura 7. Sección transversal de la estructura del diseño LS-2 y LS-3

Fuente: (Montes, 2008).

Reflector Cilindro Parabólico

Tiene la misión de reflejar la radiación solar directa que incide en su

superficie y concentrarla sobre el tubo receptor, su forma es de una parábola

de forma que concentra sobre su línea focal casi la totalidad de la radiación

reflejada. Para llevar a cabo la reflexión se utilizan películas de plata o de

aluminio ubicadas en el soporte para tener rigidez. La razón de utilizar la

plata y no el aluminio es debido a la reflectividad de la plata que es mayor a

la del aluminio. En las plantas SEGS se ha utilizado espejos de vidrio con

película de plata, con los que se obtienen en un inicio reflectividad solar del

93,5% (Montes, 2008)

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Figura 8. Colector de Sener en la Planta Andasol-1.

Fuente: (Montes, 2008).

Tubo Receptor

Es el encargado de convertir la radiación solar concentrada en energía térmica

que transporta el fluido calorífero. Se encuentra ubicado en la línea focal del

concentrador sujeto a la estructura mediante unos brazos soporte. De este

elemento consiste en gran medida el rendimiento global del colector.

Puede constar de un solo tubo o de dos tubos concéntricos, en el segundo

caso, el tubo interior es metálico con un recubrimiento selectivo por el que

circula el fluido calorífero de elevada absortividad (> 90%) y de baja

emisividad (<30%) en el espectro infrarrojo, lo que mejora el rendimiento

térmico.

El tubo exterior es de cristal y su función es la de reducir las pérdidas

térmicas por convección del tubo metálico además de proteger al tubo

metálico de las condiciones meteorológicas. Ambos tubos suelen tener un

tratamiento para elevar la transmisividad de la radiación solar, para mejorar el

rendimiento óptico del colector.

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Figura 9. Componentes del Tubo Receptor.

Fuente: (Zarza E. , Generación directa de vapor con colectores solares cilindro parabólicos Proyecto

(DISS), 2003).

Sistema de seguimiento solar

Los CCP al necesitar captar la radiación solar directa durante el día para

poder concentrarla sobre el tubo absorbedor, requieren de un sistema de

seguimiento solar, para cambiar la posición del colector con el movimiento

del sol.

En este tipo de tecnología se realiza el seguimiento solar generalmente en un

solo eje, debido a que es más económico y sencillo de implementar, es

también más robusto resistiendo cargas de viento muy superiores, lo que

genera un menor índice de averías, mantenimiento y aumenta el tiempo de

operación, el accionamiento puede ser eléctrico, hidráulico o mecánico. El

sistema de seguimiento más común es el que gira los captadores alrededor de

un eje, la orientación se la puede realizar de norte a sur o de este a oeste.

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Figura 10 a. Motor eléctrico con reductor Figura 10 b. Mecanismo hidráulico

Figura 10. Diferentes tipos de mecanismos de accionamiento.

Fuente: (Zarza E. , 2003).

De la figura anterior 2.10.a.a por lo general es utilizada en mecanismos de

dimensiones pequeñas o medias y la 2.10.b.b es requerido para estructuras grandes

que necesitan un alto torque de giro. Estos mecanismos de accionamiento deben ser

capaz de mover varios módulos concentradores conectados en serie, de tal forma que

se muevan como un solo elemento, tal como se muestra en la figura 11 el número de

módulos a mover dependerá del diseño constructivo, el tamaño de las estructuras,

velocidad del viento, entre otros.

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19

Figura 11. Componentes del Tubo Receptor.

Fuente: (Zarza E. , 2013).

Una vez mencionado los componentes de los concentradores cilindro parabólicos, en

la figura 12 se presenta el conjunto formado por sus componentes.

Figura 12. Componentes del concentrador cilindro parabólico.

Fuente: (Zarza E. , 2003).

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20

2.7 EXPERIENCIAS DE PLANTAS TERMOSOLARES CON CCP

INSTALADAS A NIVEL MUNDIAL

De las tecnologías actuales de Centrales Solares Termoeléctricas (Receptor

Central, Colectores Cilindro Parabólicos y los Discos Parabólicos), las plantas con

colectores cilindro parabólicos (CCP) son las que cuentan actualmente con una

mayor experiencia comercial, gracias a las nueve plantas SEGS (Solar Electricity

Generating Systems) actualmente en operación en el desierto de Mojave California -

Estados Unidos, con sus más de 2,5 millones de metros cuadrados de CCP, son el

mejor ejemplo del estado del arte de esta tecnología. Con una capacidad de

producción en régimen comercial de 354 MWe, las plantas SEGS han acumulado

una gran experiencia en el diseño e implementación de este tipo centrales. (Romero,

s.f.)

La tecnología de las plantas termosolares con captadores cilindro parabólicos

(CCP) ha sido mejorada significativamente desde las primeras plantas, que se

instalaron a principios de los años 80. A pesar de la clara reducción de costes, este

tipo de centrales aún se encuentran fuera del rango de competitividad con las plantas

convencionales de ciclo combinado que consumen gas natural. Esto obliga a abaratar

aún más el coste de la electricidad generada con las plantas termosolares con CCP.

La compañía Luz Internacional Limited, fundada en 1979, fue la que diseñó,

comercializó e instaló las nueve grandes plantas solares de generación eléctrica,

denominadas Solar Electric Generating System (SEGS), uno de los mejores

exponentes de la viabilidad de la tecnología de colectores cilindro parabólicos para la

producción de electricidad.

De las nueve plantas SEGS instaladas por Luz en California (USA), existen en la

actualidad ocho en operación diaria, con una potencia nominal de 340MWe. Ya que

una quedo fuera de funcionamiento (SEGS-I) debido a un incendio ocurrido en

febrero de 1999. (Montes, 2008)

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21

Figura 13. Una de las centrales SEGS en el desierto de Mojave en California.

Fuente: (Briceño, 2011).

La tecnología utilizada en las plantas SEGS se denomina HTF, fluido de

transferencia de calor (en Inglés: Heat Transfer Fluid), que consiste en utilizar un

medio de transferencia de calor (generalmente aceite sintético) que transporta la

energía térmica suministrada por un campo solar CCP hasta el bloque de potencia en

el cual, mediante un intercambiador de calor, se aprovecha dicha energía para

alimentar un ciclo Rankine de agua-vapor (Montes, 2008). En la siguiente tabla se

presenta un resumen de las plantas SEGS, detallándose los parámetros más

importantes.

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22

Tabla 2

Características básicas de las plantas SEGS-I a SEGS-IX

SEG

S I

SEGS

II

SEGS

III

SEGS

IV

SEGS

V

SEGS

VI

SEGS

VII

SEGS

VIII

SEGS

IX

Primer

año de

operación

1985 1986 1987 1987 1988 1989 1989 1990 1991

Potencia

Neta

(MWe)

13.8 30 30 30 30 30 30 80 80

Potencia

Bruta

(MWe)

14.7 33 33 33 33 33 33 88 88

Área de

apertura

colectore

s (ha)

8.296 19.03 23.03 23.03 25.05 18.8 19.42 46.43 48.39

Rendimie

nto

térmico

neto solar

(%)

- 26.7 27.8 27.8 27.8 34.1 34.1 34.2 34.2

Fluido de

trabajo

(Aceite)

ESS

O

500

Mons

anto

VP1

Monsa

nto

VP1

Monsa

nto

VP1

Monsa

nto

VP1

Monsa

nto

VP1

Monsa

nto

VP1

Monsa

nto

VP1

Monsa

nto

VP1

Fuente: (Montes, 2008).

Además hasta finales del año 2012 ya se encontraban en operación 53 centrales

termosolares (Zarza E. , 2013). Este elevado número de centrales hace que el riesgo

tecnológico sea menor que en las otras tecnologías.

A continuación se presenta otras experiencias desarrolladas con concentradores

cilindro parabólicos tales como:

ANDASOL

Andasol es el primer complejo termosolar del mundo con almacenamiento térmico,

ubicado en la provincia de Granada, que consta de tres centrales de cilindro

parabólicos, de 50 MWe cada una, llamadas Andasol-1, Andasol-2 y Andasol-3,

completados en el 2008, 2009 y 2011 respectivamente.

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23

Figura 14. Planta Solar Andasol 1.

Fuente: (Energías renovables, 2015).

Las plantas Andasol 1 y 2 han sido desarrollados por ACS / grupo Cobra,

mientras que Andasol-3 ha sido desarrollado por Ferrostal AG, todas tienen

almacenamiento indirecto en tanques de sales fundidas con una capacidad total de

7.5 horas. Este hecho, junto con el sobredimensionamiento del campo (El campo

solar es capaz de suministrar hasta 2 veces la energía térmica que es capaz de

absorber la turbina) hace posible un mayor control en la producción de la central,

pudiendo entregar energía a la red eléctrica en función de las necesidades. [9]

Figura 15. Plantas Solares Andasol 1 y 2.

Fuente: (Energías renovables, 2015).

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24

CENTRAL TERMOSOLAR PUERTOLLANO

Ubicada en la ciudad Real en la localidad de Puerto llano, inicia su operación en

el 2009, con una potencia de 50MW, tiene participación en un 90% por Iberdrola

Renovables y en un 10% por el Ministerio de Industria, Turismo y Comercio a través

del Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía (IDAE, 2015).

El campo solar de la instalación consta de 88 lazos, formado cada uno por cuatro

colectores cilindro parabólicos de aproximadamente 150 metros de largo. El campo

solar presenta un área de captación solar de 287.760 metros cuadrados. En total, la

planta incorpora 118.272 facetas de espejos parabólicos y 12.672 tubos absorbedores

(equivalentes a unos 50 kilómetros de tubo).

Figura 16. Planta Solar Puerto Llano.

Fuente: (Puerto llano, 2015).

NEVADA SOLAR ONE

La planta propiedad de Solargenix y Acciona, tiene una capacidad de 64MWe y

se encuentra ubicada en Boulder City, Nevada (EE.UU.), fue puesta en marcha en

junio del 2007 en una superficie de 130 hectáreas. Fue la mayor planta termosolar

instalada desde 1991, representando el resurgimiento de esta tecnología en el sistema

energético. (Energía, 2015)

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25

Figura 17. Planta Solar Nevada Solar One.

Fuente: (Energía, 2015)

ACCIONA

Energía cuenta actualmente con cinco plantas termosolares operativas

adicionales a Nevada Solar One, que totalizan 314MW de potencia nominal, las

otras plantas operativas se encuentran en España y son Alvarado (Bajadoz), Majadas

(Cáceres), Palma del Río I y II, (Córdoba) y Orellana (Badajoz), todas ellas de 50

MW de potencia.

A continuación se detallan algunos de los proyectos realizados por ABENGOA

SOLAR, ubicados dentro y fuera de España. (solar, 2014). El contenido presentado

a continuación ha sido recopilado directamente de la página web de Abengoa Solar.

SOLNOVA

Solnova 1, 3 y 4 son tres centrales de 50 megavatios (MW) cada una y

tecnología cilindro parabólica situadas en la Plataforma Solúcar, Sanlúcar La Mayor

(Sevilla).

Son las tres primeras centrales de colectores cilindro parabólicos en operación

comercial en la Plataforma Solúcar. Estas centrales incluyen tecnología cilindro

parabólica desarrollada por Abengoa Solar y han ido incorporando sucesivamente

mejoras en su diseño. Cada central está compuesta por unos 300.000 metros

cuadrados de espejos que ocupan una superficie total de unas 115 hectáreas.

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26

Figura 18. Planta Solar Solnova.

Fuente: (solar, 2014)

ÉCIJA

La Plataforma Solar Écija está formada por dos centrales de 50 MW cada una y

de tecnología cilindro parabólica. La primera central, Helioenergy 1, entró en

operación en septiembre 2011 y la segunda, Helioenergy 2, en enero 2012. Las

centrales Helioenergy 1 y Helioenergy 2 son operadas conjuntamente por Abengoa

Solar y E.ON, que crearon una alianza en 2009. Las dos centrales cuentan con un

total de 121.000 espejos instalados en el campo solar que concentran la luz del sol

para generar vapor a unas temperaturas de hasta 400 grados, en una superficie de más

de 220 hectáreas, el equivalente a unos 300 campos de fútbol.

Figura 19. Plantas Solares Helioenergy 1 y 2.

Fuente: (solar, 2014).

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27

EL CARPIO

La Plataforma Solar El Carpio, está formada por dos centrales de 50 MW cada

una y tecnología cilindro parabólica. Ambas centrales están en operación comercial

desde principios de 2012. Abengoa Solar, que opera ambas centrales, cuenta con una

participación del 74%. Cada central tiene un total de 360 colectores (colector cilindro

parabólico ASTRØ), ocupando una superficie aproximada de 110 hectáreas cada

una.

Figura 20. Planta Solar El Carpio.

Fuente: (solar, 2014).

CASTILLA – LA MANCHA

La Plataforma Solar Castilla-La Mancha, está formada por dos centrales de 50

MW cada una y tecnología cilindro parabólica. Las dos centrales, Helios 1 y Helios

2, han entrado en operación durante el verano de 2012.

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28

Figura 21. Plantas Solares Helios 1 y 2.

Fuente: (solar, 2014)

EXTREMADURA

La Plataforma Solar Extremadura está formada por cuatro centrales cilindro

parabólicas de 50 MW cada una. De estas cuatro centrales, dos de ellas están

participadas por Abengoa Solar en un 70 %, quien opera las centrales, y por la

japonesa Itochu Corporation en un 30%. Solaben 2 y Solaben 3 empezaron su

operación en 2012. La segunda fase de esta plataforma, compuesta por Solaben 1 y

Solaben 6, opera desde agosto de 2013.

Figura 22. Plantas Solares Solaben 2, 3, 1, 6.

Fuente: (ingeniería, 2015)

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29

HASSI R’MEL EN ARGELIA

La planta híbrida de ciclo combinado gas - solar de Hassi R'Mel en Argelia,

cuenta con 150 megavatios (MW) de potencia de los que 20 MW proceden de un

campo compuesto por 224 colectores cilindro parabólicos (CCP). La planta está en

operación desde julio de 2011. Esta planta de tecnología solar híbrida con ciclo

combinado, tiene 150 MW de potencia, de los que 20 MW proceden de un campo de

colectores cilindro parabólicos con aceite térmico de 180.000 m2 de superficie

reflectante. La novedad del proyecto es el aprovechamiento eléctrico del calor

generado en la misma turbina de vapor que aprovecha el calor residual de la turbina

de gas.

Figura 23. Planta Gas - Solar Hassi R´Mel.

Fuente: (solar, 2014).

SHAMS 1 EN EMIRATOS ÁRABES UNIDOS

La planta Shams-1 tiene100 megavatios (MW) de potencia usando tecnología

cilindro parabólica. La planta, localizada en Madinat Zayed, a unos 120 kilómetros al

suroeste de Abu Dhabi (Emiratos Árabes Unidos), comenzó su construcción el

verano de 2010. La central Shams-1, que ocupa unas 300 hectáreas en el desierto de

Abu Dhabi, tiene una potencia de 100 MW, gracias a los casi 600.000 m2 de campo

solar en los que operan 768 colectores cilindro parabólicos suministrados por

Abengoa Solar.

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30

Figura 24. Planta Solar Shamn-1.

Fuente: (solar, 2014)

SOLANA – ESTADOS UNIDOS

Solana, la mayor central cilindro parabólica del mundo, tiene una potencia de

280 megavatios (MW) con seis horas de almacenamiento de energía térmica, lo que

permite producir electricidad durante los períodos nublados y tras la puesta del sol,

satisfaciendo el pico de demanda de electricidad que existe en esta zona en los meses

de verano.. La central está ubicada a unos 100 kilómetros al suroeste de Phoenix,

cerca de Gila Bend, Arizona. Comenzó su construcción a finales de 2010 y ha

entrado en operación en 2013.

Figura 25. Planta Solar Solana.

Fuente: (solar, 2014)

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31

CAPÍTULO 3

FLUIDOS TÉRMICOS

Los fluidos térmicos o caloportadores, son aquellos fluidos capaces de

transportar energía en forma de calor desde el punto donde se produce hasta el punto

donde se transfiere este calor. En los colectores cilindro parabólicos, el fluido

térmico capta la energía radiante del sol en forma de energía térmica al circular a

través del tubo receptor y lo transporta hasta el intercambiador de calor. Al trabajar

con colectores cilindro parabólicos el intervalo de temperatura se encuentra entre 150

C y 400 C, este rango de temperatura es determinado por el tipo de fluido térmico. A

continuación se presentan los principales fluidos caloportadores.

3.1 AGUA

Es un fluido caloportador muy utilizado a nivel industrial para una extensa gama

de finalidades debido a sus beneficios que presenta hasta ciertas temperaturas, se lo

puede utilizar como fluido térmico en forma líquida (agua caliente, agua

sobrecalentada), en forma gaseosa (vapor sobrecalentado) o en forma bifásica (vapor

saturado). (García, 2012)

VENTAJAS

Es barata y existe en abundancia.

No es tóxica.

No es inflamable.

Posee un alto calor específico lo que le convierte en un excelente medio

transmisor de calor.

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32

DESVENTAJAS

Es oxidante y produce corrosión.

La presión de vapor aumenta considerablemente al incrementarse la

temperatura.

A presión ambiente cambia de fase a los 100ºC.

Utilización de tuberías de espesores elevados para trabaja con altas presiones.

Sin embargo las propiedades termodinámicas y fisicoquímicas del agua, hacen a

esta un medio de transferencia térmica ideal. Circuitos cerrados de agua caliente y

sistemas de soluciones de glicol en fase liquida son ambos una excelente opción para

procesos de calentamiento indirecto de hasta aproximadamente 150ºC. Ya que el

agua es usada en un circuito cerrado sin alimentación directa de una fuente de agua

externa.

3.2 ACEITE TÉRMICO

Para altas temperaturas se aplican fluidos que son estables en el rango de

temperatura del proceso, es decir, que tengan un punto de fusión bajo y un punto de

evaporación y descomposición alto. Fluidos con semejantes características son sales

fundidas, aceites minerales o sintéticos y metales fundidos como el sodio.

El aceite térmico puede ser de origen mineral o sintético, los primeros se extraen

del petróleo y están formados por cadenas de hidrocarburos, además este tipo de

fluidos son utilizados frecuentemente en calderos cuyo sistema de funcionamiento lo

realizan en base a aceite térmico.

3.2.1 ACEITES MINERALES

Los aceites minerales son ampliamente usados como lubricantes debido a que poseen

tres propiedades crucialmente importantes:

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33

Tienen características de viscosidad adecuadas.

Son refrigerantes efectivos debido a su alta conducción del calor y alto calor

específico.

Tienen la capacidad de proteger contra la corrosión.

VENTAJAS

Son relativamente de bajo coste.

Son estables térmicamente.

Son compatibles con la mayoría de los componentes usados en los sistemas

de lubricación.

Son virtualmente poco peligrosos a la salud.

Buenas características viscosidad – temperatura.

Baja presión de vapor.

Los aceites minerales pueden ser usados como fluidos térmicos, si no se excede

el valor permisible de temperatura, si tiene baja viscosidad, baja tensión de vapor y

alta resistencia a la oxidación. Pueden ser mezclados con otros aceites y una gran

variedad de aditivos para extender o modificar sus propiedades y pueden ser

fabricados para producir las características físicas requeridas.

DESVENTAJAS

Son obtenidos por destilación fraccionada del petróleo, formados por un

conjunto de cadenas de diferente longitud.

Durante el ciclo de trabajo, las cadenas más cortas (hidrocarburos más

volátiles) se vaporizan con mayor facilidad, lo que tiende a aumentar la

viscosidad del fluido restante y con el tiempo, la degradación y coquización

del mismo.

Los aceites minerales están sujetos a dos tipos de degradación al encontrarse a

temperaturas elevadas (Shell, 2004):

Craqueo, llamado también rotura de las cadenas de hidrocarburos por efecto

del calor. Las cadenas largas se dividen en cadenas más pequeñas en

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34

sucesivas etapas. Algunas de ellas se eliminan como gases, pero otras son

inestables y polimerizan dando lugares a compuestos insolubles que forman

depósitos.

Oxidación, o la reacción del hidrocarburo con el oxígeno atmosférico. A

temperatura ambiente la reacción ocurre con una velocidad relativamente

lenta, pero esta se acelera conforme aumenta la temperatura. La oxidación

produce la acidificación del aceite y generalmente va acompañada de un

incremento de la viscosidad.

APLICACIONES

Sistemas cerrados de calefacción, ya sea por convección natural o circulación

forzada, que utilizan fluidos que operan con temperaturas de hasta 320ºC.

Tratamientos térmicos de metales, como por ejemplo templado y revenido de

aceros.

Existen algunas variedades de aceites minerales disponibles en el país, entre ellos

están:

TEXATHERM 46

Se encuentra disponible en el país en presentaciones de 55 galones a un precio

promedio de 835 dólares. Es un aceite parafínico altamente refinado y térmicamente

estable, recomendado para unidades de transferencia de calor por circulación que no

exceda los 190ºC para sistemas abiertos (expuestos al aire) y 315ºC para sistemas

cerrados (sin entrada de aire) y con una temperatura inferior desde los -15ºC

(Texaco, 2004), Sus principales características se muestran en las siguientes tablas,

en el Anexo N.1 se presenta mayor información sobre este aceite.

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35

Tabla 3

Características típicas del aceite Texatherm 46

Método

ASTM ISO 46

Densidad @ 15.5ºC kg/l D-4052 0.868

Viscosidad cinemática

cSt @ 40ºC D-445 46

cSt @ 100ºC D-445 6.78

Indice de viscosidad D-2270 101

Punto de inflamación, ºC D-92 235

Punto de fluidez, ºC D-97 -15

Fuente: (Conauto, 2015)

Las propiedades físicas y térmicas del aceite Texatherm 46 se presenta en la

siguiente tabla.

Tabla 4

Propiedades físicas y térmicas versus temperatura

Texatherm 46 a 40ºC (104ºF) a 150ºC (104ºF) a 260ºC (104ºF)

Viscosidad cSt 46.9 2.91 -

Conductividad térmica BTU/hr-ft-F 0.0769 0.0722 0.0675

Calor específico BTU / lb-F 0.4683 0.5642 0.6602

Densidad kg/l 0.809 0.6836 0.5583

Fuente: (Conauto, 2015).

En la siguiente tabla se presenta la tabla anterior con unidades SI, esto con el fin de

poder comparar luego los tipos de aceite en las mismas unidades.

Tabla 5

Propiedades físicas y térmicas versus temperatura (SI Unidades)

Texatherm 46 a 40ºC (104ºF) a 150ºC (104ºF) a 260ºC (104ºF)

Viscosidad cSt 46.9 2.91 -

Conductividad térmica W/mK 0.1330 0.1249 0.1167

Calor específico kJ / KgK 1.9594 2.3606 2.7623

Densidad kg/m3 809.0 683.6 558.3

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36

SHELL THERMIA OIL B

Se encuentra disponible en el país en presentaciones de tanques de 55 galones a

un precio promedio de 800 dólares. Tiene una estabilidad térmica excepcionalmente

buena a temperaturas de hasta 320ºC, la temperatura de película o de film no debe

superar los 340ºC, la temperatura inferior puede ser desde -12ºC (Shell, 2004). Sus

principales características se muestran en las siguientes tablas, en el Anexo N.2 se

presenta mayor información.

Tabla 6

Características típicas del aceite Shell Thermia B

Método

ISO

Densidad @ 15ºC kg/l ISO 12185 0.868

Viscosidad cinemática

cSt @ 40ºC ISO 3104 24.8

cSt @ 100ºC ISO 3104 4.6

Punto de inflamación, ºC ISO 2592 230

Punto de fluidez, ºC ISO 3016 -12

Fuente: (Shell, 2004).

En la siguiente tabla se presentan las propiedades físicas y térmicas del aceite de este

aceite.

Tabla 7

Propiedades físicas y térmicas versus temperatura

Thermia B a 15.5ºC (60ºF) a 93.3ºC (200ºF) a 204.4ºC(400ºF)

Viscosidad cSt - 4.7 1.2

Conductividad térmica BTU/h.ft.F 0.1339 0.1282 0.1200

Calor específico BTU/lb.F 0.445 0.513 0.610

Densidad kg / l 0.85 0.811 0.746

Fuente: (Shell, 2004)

En la siguiente tabla se presenta la tabla 7 con unidades SI, para poder comparar

luego los tipos de aceite en las mismas unidades.

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37

Tabla 8

Propiedades físicas y térmicas versus temperatura (SI Unidades)

Thermia B a 15.5ºC (60ºF) a 93.3ºC (200ºF) a 204.4ºC(400ºF)

Viscosidad cSt - 4.7 1.2

Conductividad térmica W /m K 0.0774 0.0741 0.0694

Calor específico kJ / Kg K 1.8619 2.1464 2.5522

Densidad kg/m3 850.0 811.0 746.0

MOBILTHERM 605

Se encuentra disponible en el país en presentaciones de tanques de 55 galones a

un precio promedio de 730 dólares. Tiene un alto rendimiento diseñado para ser

usado en instalaciones cerradas con calentamiento indirecto, altamente refinado y

resistente a la degradación térmica y a la oxidación química, su rango de temperatura

en sistemas cerrados va de -7ºC a 315ºC y en sistemas abiertos de -7ºC a 180ºC,

(Mobil, 2015). Sus principales características se muestran en la siguiente tabla, en el

Anexo N.3 se presenta mayor información.

Tabla 9

Características típicas del aceite Mobiltherm 605

Método ASTM ISO 46

Densidad @ 15.5ºC kg/l D-4052 0.86

Viscosidad cinemática

cSt @ 40ºC D-445 30.4

cSt @ 100ºC D-445 5.4

Punto de inflamación, ºC D-92 230

Punto de fluidez, ºC D-97 -12

Fuente: (Mobil, 2015).

A continuación se presentan las gráficas comparativas de las propiedades físicas y

térmicas de los aceites Texatherm 46 y Shell Thermia B en función de la

temperatura.

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38

Figura 26. Variación de la densidad del Shell Thermia B y del Texatherm 46 con la temperatura

Figura 27. Variación del calor específico del Shell Thermia B y del Texatherm 46 con la temperatura.

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 50 100 150 200 250 300

ρ

kg

/ m

3

Temperatura (°C)

Densidad

Shell Thermia

Texatherm

1,5

1,7

1,9

2,1

2,3

2,5

2,7

2,9

0 50 100 150 200 250 300

Cp

k

J /

Kg K

Temperatura (°C)

Calor específico

Shell Thermia

Texatherm

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39

Figura 28. Variación de la conductividad térmica del Shell Thermia B y del Texatherm 46 con la

temperatura.

De las figuras 26 a la 28 se puede ver que las características de los dos aceites son

muy similares, teniendo únicamente una variación mayor en la densidad donde el

texatherm tiene menor densidad con el incremento de la temperatura respecto al

Shell termia, lo que significa que tendrá mayor volumen mientras permanezca

caliente, lo que conlleva a la necesidad de construir un tanque de expansión de

mayor capacidad.

3.2.2 ACEITES SINTÉTICOS

Los aceites sintéticos son lo que se generan únicamente por síntesis química, no

existen de forma natural, la diferencia entre los fluidos térmicos sintéticos y los

minerales es que presentan una estructura molecular conocida, definida, reproducible

y en consecuencia, las propiedades son predecibles. Es decir, los fluidos sintéticos

son diseñados para conseguir cadenas homogéneas, obteniendo mínimo

desprendimiento, vaporización inferior y un tiempo de vida notablemente superior.

De todos los fluidos posibles, los fluidos orgánicos sintéticos son los que

mayores ventajas presentan, y entre ellos destaca la mezcla eutéctica compuesta por

un 26,5% en peso de óxido de di fenilo y un 73,5% de bifenilo. Esta mezcla presenta

0,114

0,116

0,118

0,12

0,122

0,124

0,126

0,128

0,13

0,132

0,134

0 50 100 150 200 250 300

k

W /

m.K

Temperatura (°C)

Conductividad térmica

Shell Thermia

Texatherm

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40

el mejor compromiso entre coste y prestaciones, aunque presenta grandes

dificultades en su manejo que condicionan enormemente los resultados de

explotación de las plantas, este fluido se le denomina habitualmente HTF (Heat

Transfer Fluid).

Con el aceite térmico se puede alcanzar temperaturas cercanas a los 400ºC con

presiones relativamente bajas, estos valores dependerán de los aceites utilizados, uno

de los principales aceites utilizados en las plantas termosolares con CCP es el

Therminol VP-1, se tiene otra alternativas como el aceite el Syltherm, con mejores

prestaciones pero con un precio unas tres veces superior (Muñoz, 2008), además se

tiene el Dowtherm A, entre otros.

Las principales propiedades que debe cumplir un fluido térmico son: (García, 2012)

a. Temperatura máxima. Temperatura a la que las reacciones de degradación

por craqueo térmico de hidrocarburos son muy rápidas, 430°C, por encima de

esta temperatura, las moléculas se rompen para formar radicales libres que a

su vez cataliza la reacción de craqueo, aumentando aún más la tasa de

reacciones. Por lo tanto, debe asegurarse que en ningún momento se llegue a

esta temperatura, especialmente en el interior de los tubos de absorción o en

la caldera auxiliar.

b. Temperatura de congelación. La mezcla de todos los hidrocarburos usados

tiene un punto eutéctico a 12°C, es decir, un punto de congelación inferior a

cada uno de los componentes separados. Esta es la razón fundamental de

utilizar mezclas.

c. Densidad. Al igual que otros hidrocarburos, muestra un cambio brusco de la

densidad con la temperatura. Así el HTF, a 25 °C, la densidad es similar a la

del agua 1060 kg/m3, es decir, una tonelada ocupa 943 litros. En contraste, a

393° C, la densidad es sólo de 690 kg/m3, o su equivalencia, una tonelada

ocupa 1.450 litros, es decir, mucho más. Por esta razón, es necesario

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41

proporcionar un tanque capaz de absorber los cambios de volumen de

expansión.

d. La presión de vapor. A temperatura ambiente, la presión es muy baja, casi

0, lo que significa que no es volátil. Pero a 393 °C la presión de vapor es de

10,6 bar. Eso significa que si la presión es inferior a 10,6 bar y la temperatura

está por encima de 393°C existirá un cambios de estado de líquido a vapor,

un efecto no deseado. Por lo tanto, la presión debe ser en todos los puntos por

encima de 10,6 bar, lo que garantiza que en todo momento el fluido

permanece en estado líquido. Hay que tener en cuenta que cualquier fuga de

alta temperatura de HTF causa una descompresión, y por lo tanto una

vaporización instantánea: así una fuga provocará que el fluido de inmediato

entre en ebullición, que en contacto con el aire y una chispa provocara un

incendio.

e. Calor específico. Los rangos del calor específico del HTF, están entre 2.300

y 2.700 kJ / kg K, es decir, para elevar la temperatura de un kg de HTF un

grado es necesario suministrar 2300 kJ de energía.

f. Entalpía. La entalpía es una medida de la energía interna del fluido bajo

ciertas condiciones. Su variación es una medida de la cantidad de energía que

el fluido ha ido intercambiado (absorbida o cedida) con su medio ambiente.

La entalpía del HTF a 293°C es de aproximadamente 540 kJ/kg. A 393°C es

de aproximadamente 800 kJ/kg. Eso significa que si un kilogramo de HTF se

eleva su temperatura desde 293 ° C a 393 ° C, tiene que absorber alrededor de

260 KJ.

g. Viscosidad. La viscosidad HTF cambia abruptamente entre 25°C y 400°C. A

25°C es un fluido viscoso que fluye de una manera incorrecta, siendo

necesario que la temperatura nunca descienda por debajo de 40°C. A 393°C

su viscosidad es 0,12 mPas, es todavía mucho mayor que la del agua a 20°C.

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42

A continuación se presenta las principales características de los aceites sintéticos con

mejores prestaciones como fluido térmico, y también se presenta los empleados con

mayor frecuencia en las plantas termosolares.

THERMINOL VP-1

Su precio promedio en España es de 2,5 euros el kilogramo, no se encuentra

disponible en el país, para su obtención se debe realizar mediante importación lo que

ocasiona un incremento en el precio. Este aceite puede trabajar en un rango de

temperatura de 12°C a 400°C, (VP-1, 2015). El Therminol VP-1 ha sido

implementado en las plantas solares SEGS, Andasol, entre otras. En el Anexo N.4 se

presenta mayor información sobre este fluido.

Tabla 10

Características típicas del aceite Therminol VP-1

Método

Densidad @ 15ºC kg/m3 DIN 51757 1068

Viscosidad cinemática

cSt @ 40ºC DIN 51562-1 2.48

Punto de inflamación, ºC DIN 51376 124

Punto de fluidez, ºC ISO 3016 12

Fuente: (VP-1, 2015).

Tabla 11

Propiedades físicas y térmicas versus temperatura, fase líquida

Therminol VP-1 a 20ºC a 100ºC a 200ºC a 350ºC

Viscosidad cinemática cSt 4.03 0.986 0.432 0.233

Conductividad térmica W/m.k 0.136 0.128 0.114 0.086

Calor específico kJ/kgK 1.546 1.775 2.048 2.454

Densidad kg / m3 1064 999 913 761

Fuente: (VP-1, 2015).

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43

SYLTHERM 800

Su precio promedio en España es de 10 euros el kilogramo, no se encuentra

disponible en el país, para su obtención se debe realizar mediante importación lo que

ocasiona un incremento en el precio. Tiene un rango de operación recomendado de -

40°C hasta 400°C, el rango más amplio de todos los fluidos de transferencia de calor

disponible actualmente en el mercado (Syltherm, 2001). En el Anexo N.5 se

presenta mayor información sobre este fluido.

Tabla 12

Características típicas del aceite Syltherm 800

Método

Densidad @ 25ºC kg/m3 ASTM D92 936

Viscosidad cinemática

cSt @ 25ºC DIN 51562-1 2.48

Punto de inflamación, ºC DIN 51376 193

Punto de fluidez, ºC ISO 3016 -60

Fuente: (Dow, Fluidos de transferencia de calor, 2011)

Tabla 13

Propiedades físicas y térmicas versus temperatura, fase líquida

Syltherm 800 a 20ºC a 100ºC a 200ºC a 350ºC

Viscosidad cinemática cSt 4.03 0.986 0.432 0.233

Conductividad térmica W/m.k 0.136 0.128 0.114 0.086

Calor específico kJ/kgK 1.546 1.775 2.048 2.454

Densidad kg / m3 1064 999 913 761

Fuente: (Dow, Fluidos de transferencia de calor, 2011).

DOWTHERM A

Su precio promedio en España es de 7 euros el kilogramo, no se encuentra

disponible en el país, para su obtención se debe realizar mediante importación lo que

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44

ocasiona un incremento en el precio. Tiene excelente estabilidad térmica en

aplicaciones de hasta 400°C, con temperatura de film máxima recomendada de

427°C, el rango de temperatura recomendado para uso en operación en fase líquida

va desde 15°C a 400°C, posee una baja viscosidad que reduce los problemas de

arranque (Dow, 2011) (Dow, Dowtherm A , 1997). En el Anexo N.6 se presenta

mayor información sobre este fluido.

Este fluido térmico ha sido suministrado a nivel mundial para generar más de

700 MW de energía eléctrica a partir del sol, proyectos en España utilizan más de

20000 toneladas métricas de Dowtherm, con datos tomados hasta el 2010 este fluido

de transferencia térmica producida en 12 plantas es suficiente para abastecer a cerca

de 400000 viviendas (Dow, 4th Annual international csp summit seville, 2010).

Tabla 14

Características típicas del aceite Dowtherm A

Método

Densidad @ 25ºC kg/m3 ASTM D92 1056

Viscosidad cinemática

cSt @ 25ºC DIN 51562-1 3.71

Punto de inflamación, ºC DIN 51376 257

Punto de fluidez, ºC ISO 3016 12

Fuente: (Dow, Dowtherm A , 1997).

Tabla 15

Propiedades físicas y térmicas versus temperatura, fase líquida

Dowtherm A a 20ºC a 100ºC a 200ºC a 400ºC

Viscosidad cinemática cSt 4.29 0.97 0.37 0.13

Conductividad térmica W/m.k 0.136 0.1259 0.1099 0.0779

Calor específico kJ/kgK 1.573 1.800 2.079 2.701

Densidad kg / m3 1059.6 994.9 907.1 680.2

Fuente: (Dow, Dowtherm A , 1997).

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45

En las siguientes figuras se muestran las variaciones de las propiedades físicas y

térmicas de los aceites sintéticos mencionados en este apartado en función de la

temperatura.

Figura 29. Variación de la densidad con la temperatura.

Figura 30. Variación del calor específico con la temperatura.

0

200

400

600

800

1000

1200

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

ρ k

g /

m3

Temperatura (°C)

Densidad

Therminol VP 1 Syltherm 800 Dowtherm A

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 100 200 300 400 500

Cp

k

J /

Kg K

Temperatura (°C)

Calor específico

Therminol VP1 Syltherm 800 Dowtherm A

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46

Figura 31. Variación de la conductividad térmica con la temperatura.

Figura 32. Variación de la viscosidad con la temperatura.

De las figuras 29 a la 32, se puede notar claramente que las propiedades de los

aceites Therminol VP-1 y Dowtherm A son muy similares, debido a esto son los

fluidos que tienen mayor presencia en las centrales termosolares con cilindro

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

0,16

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

k W

/ m

.K

Temperatura (°C)

Conductividad térmica

Therminol VP 1 Syltherm 800 Dowtherm A

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

µ m

Pa.s

Temperatura (°C)

Viscosidad

Therminol VP1 Syltherm 800 Dowtherm A

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47

parabólicos que se encuentran en pleno funcionamiento comercial, también se puede

notar que el aceite Syltherm 800 tiene mejores prestaciones que los dos aceites

mencionados anteriormente el inconveniente es su alto precio comparado con el

Therminol y el Dowtherm.

3.3 SALES FUNDIDAS

Son fluidos basadas en mezclas eutécticas que se funden a altas temperaturas

superiores a los 150°C, tienen un funcionamiento interesante desde el punto de vista

térmico gracias a sus prestaciones a altas temperaturas y alta densidad, lo que

permite que sean adecuados para ser utilizados como almacenamiento térmico. Las

mezclas más utilizadas son las de nitrato de sodio – nitrato de potasio que pueden

funcionar sobre los 560°C, este tipo de fluido es principalmente utilizado como

almacenamiento térmico en las plantas solares con concentradores cilindro

parabólicos, existen algunos estudios de investigación y desarrollo en base a las sales

fundidas que se han implementado en varias plantas solares como son: CESA,

Andasol 1, Solar Two (California - EEUU), Solar Tres (Andalucía - España).

Las limitaciones que presentan las sales fundidas es su alto punto de fusión

alrededor de los 200°C, esto significa que al enfriarse por debajo de esta temperatura

se solidifica, y el uso en grandes campos de captadores cilindro parabólicos requiere

la instalación de sistemas auxiliares de calentamiento para todas las tuberías del

campo solar cuando no haya radiación solar. Aunque se trata de un fluido

medioambiental más benigno que el aceite, los altos puntos de cristalización disparan

los autoconsumos de la central. Además presenta problemas de corrosión.

La entidad italiana ENEA, lleva trabajando en este campo del uso de sales

fundidas como fluido de trabajo desde hace más de 12 años, habiendo comprobado

su viabilidad técnica, pero aún pendiente determinar su viabilidad comercial, la cual

se prevé que quede dilucidada con los resultados experimentales que se obtengan en

la central de 5MWe que ENEA ha construido en Siracusa, con el nombre de Priolo.

(Guía técnica de la energía solar termoelectrica, 2012)

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48

Figura 33. Propiedades físicas de la sal fundida Hitec XL, junto con las del aceite Therminol VP1 –

Calor Específico.

Fuente: (Muñoz, 2008)

Figura 34. Propiedades físicas de la sal fundida Hitec XL, junto con las del aceite Therminol VP1 -

Densidad

Fuente: (Muñoz, 2008)

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49

Figura 35. Propiedades físicas de la sal fundida Hitec XL, junto con las del aceite Therminol VP1 –

Conductividad térmica.

Fuente: (Muñoz, 2008).

3.4 SODIO LÍQUIDO

El uso de sodio líquido se ha desarrollado en la industria nuclear, tiene excelentes

propiedades de transferencia de calor debido a su alto coeficiente térmico, el

problema del sodio es su alta reactividad con el agua y con el aire (García, 2012). El

rango térmico del sodio líquido va desde los 97°C hasta valores superiores a los

880°C, el sodio fundido frente a los aceites térmicos presenta diferencias claras en

sus propiedades tales como su calor específico y densidad son menores sumado a la

menor inercia térmica y su alto punto de fusión lo hace no recomendable como fluido

de almacenamiento. Por otro lado su baja viscosidad y menor inercia térmica hace

que sea un fluido de rápido arranque, además posee una alta conductividad térmica,

esto implica que en el seno del fluido la transferencia de energía no se realiza por

convección (como en el agua o aceite) sino por conducción que es algo habitual en

los metales líquidos (Muñoz, 2008), podría ser utilizado como fluido en discos

Stirling.

3.5 AGUA – VAPOR

Consiste en alimentar el campo solar directamente con agua líquida a presión, de

tal forma que esta agua se precalienta, evapora y se convierte en vapor

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50

sobrecalentado conforme circula desde la entrada hasta la salida de las filas paralelas

de captadores que componen el campo solar, este proceso es conocido como

Generación Directa de Vapor (GDV por sus siglas en español, o DSG, Direct Steam

Generation por sus siglas en Inglés).

El tener un flujo bifásico agua líquida / vapor, en una gran parte del campo solar

generan una gran serie de obstáculos. Este tipo de fluido ya se encuentra en

experimentación desde 1987 en España en la planta experimental DISS (Direct Solar

Steam) de la Plataforma Solar de Almería (PSA) (Guía técnica de la energía solar

termoelectrica, 2012)

A continuación se presentan las principales ventajas y desventajas de este fluido

(Muñoz, 2008), (Guía técnica de la energía solar termoelectrica, 2012), (Zarza E. ,

Generación directa de vapor con colectores solares cilindro parabólicos Proyecto

(DISS), 2003)

VENTAJAS

Es benigno medioambientalmente hablando ya que se trata de agua, no existe

riesgo de incendios, contaminación por derrame del fluido en caso de fugas.

Menor punto de congelación (0°C)

Alto coeficiente de película que se genera con el cambio de fase y su alto

calor de vaporización.

DESVENTAJAS

Necesidad de disponer de un sistema especial de almacenamiento térmico

mediante calor latente (cambio de fase).

Falta de refrigeración por ausencia de fase líquida en la superficie refrigerada

que evacúe de forma eficiente la energía térmica.

Se puede romper el conducto por formación de excesivas tensiones térmicas.

Se puede tener problemas de corrosión debido a infiltraciones de aire en el

condensador.

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51

3.6 GASES A PRESION

En el año 2007 se construyó en la Plataforma Solar de Almería (PSA) una planta

experimental para el estudio de la viabilidad técnica de gases a presión (CO2, N2,

etc.) como fluidos de trabajo para concentradores de foco lineal como son los

captadores cilindro parabólicos y los concentradores lineales de Fresnel, los

experimentos realizados en la PSA durante los últimos años con CO2 a presiones del

orden de 50 bar, han puesto de manifiesto la viabilidad técnica de esta opción

(Rodríguez – García et al., 2009), pero es necesario aún determinar la viabilidad

comercial, debido a la mayor caída de presión en las tuberías cuando el fluido de

trabajo es un gas obliga a adoptar diseños modulares para el campo solar, lo cual

podría aumentar su costo (Guía técnica de la energía solar termoelectrica, 2012).

La idea de utilizar gas como fluido caloportador siempre se ha restringido al

campo nuclear, estos fluidos tienen como ventaja la estabilidad térmica en un amplio

rango de temperaturas de trabajo, lo que ayuda a combatir problemas de corrosión,

aunque no son eliminados totalmente.

3.7 ANÁLISIS COMPARATIVO ENTRE FLUIDOS

A continuación se presenta comparaciones entre los fluidos mencionados

anteriormente para determinar las principales ventajas y desventajas que se pueden

obtener entre ellos.

3.7.1 FLUIDO TÉRMICO EN COMPARACIÓN CON EL AGUA

Las ventajas más evidentes del uso de un fluido térmico en comparación con el agua,

son:

Temperaturas de operación altas, hasta 300°C a presión atmosférica.

Fácil ajuste de la temperatura de funcionamiento.

No es necesario ningún equipo de pre-tratamiento o mantenimiento de agua

de alimentación a calderas.

No hay pérdida de calor debido a la condensación, y por consiguiente alta

eficiencia.

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52

No hay riesgo de corrosión.

Bajos costes de mantenimiento.

Funcionamiento silencioso, sin trazos de vapor o ruido vapor flash -

condensado.

Mucho más fácil de manejar.

Entre las principales desventajas del uso de aceite térmico frente al agua están:

Capacidad de calor muy alta en movimiento, que requiere de bombas

recirculadoras y válvulas especiales, así como un alto grado de aislamiento

térmico.

Degradación con el tiempo del aceite térmico. No deben existir por ningún

motivo fugas de aceite térmico.

Peligro de fuego, contaminación y envenenamiento.

Costo alto del aceite térmico.

Control excesivo necesario del aceite térmico (degradación).

3.7.2 ACEITE SINTÉTICO EN COMPARACIÓN CON EL ACEITE

MINERAL

Comparando el aceite sintético con el mineral, el primero brinda estabilidad

térmica más elevada (cercana a los 400°C), particularmente en el rango superior de

temperatura de uso y una mejora significativa de bombeabilidad en temperaturas

bajas. (Guía técnica de la energía solar termoelectrica, 2012), mientras que los

aceites minerales pueden llegar a soportar temperaturas de hasta 320°C, sus

prestaciones tienden a ser menores que los aceites sintéticos. Para plantas

termosolares que se encuentran en operación, uno de los limitantes es el fluido

térmico que actualmente es de aproximadamente 400°C, si se llegara a trabajar a

temperaturas superiores a esta el aceite se oxidaría.

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53

3.7.3 ACEITE SINTÉTICO EN COMPARACIÓN CON OTROS FLUIDOS

En la tabla N. 16 se presenta la comparación de los fluidos de trabajo mencionados

en el apartado anterior respecto al aceite térmico.

Tabla 16

Comparación de diversos fluidos de trabajo alternativos al aceite térmico

FLUIDO VENTAJAS SOBRE EL ACEITE DESVENTAJA SOBRE EL ACEITE

Sales

Fundidas

Temperatura de vapor más alta altas temperaturas de cristalización

(>125C)

Sin riesgo de contaminación o incendio diseño de campo solar más complejo

mejor almacenamiento térmico mayores consumos

Generación

Directa de

Vapor

diseño simple de la planta falta de un almacenamiento térmico

adecuado

temperatura de vapor más alta sistema de control del campo solar más

complejo

sin riesgo de contaminación o incendio mayor presión en el campo solar

Gases a

Presión

temperatura de vapor más alta baja refrigeración de los tubos

receptores

se mejora el sistema de almacenamiento

térmico

sistema de control del campo solar más

complejo

sin riesgo de contaminación o incendio mayor presión en el campo solar.

Fuente: (Guía técnica de la energía solar termoelectrica, 2012)

3.7.4 AGUA – VAPOR EN COMPARACIÓN CON FLUIDO TÉRMICO

Entre las principales ventajas que se pueden tener al utilizar la generación directa

de vapor (Agua – vapor) respecto al fluido HTF (Rivas, 2011), se tiene:

Desde el punto de vista medioambiental, ya que no es inflamable y es

biodegradable.

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54

Aumenta el rendimiento del ciclo debido al aumento de temperatura máxima

de trabajo del bloque de potencia, el sistema HTF se encuentra limitado a una

temperatura de operación aproximada de los 400C, en ningún caso superior.

Se reduce el tamaño del campo solar para una misma capacidad de

generación, ya que desaparece el intercambiador de calor aceite térmico –

agua, y se reduce también el costo de inversión.

Se simplifica el esquema de la planta, ya que además de eliminar el

intercambiador de calor aceite térmico – agua, se eliminan también los

sistemas auxiliares asociados al sistema de aceite.

Disminuye el costo de operación y mantenimiento.

Entre las desventajas que se tiene del sistema Agua – vapor frente al aceite térmico

están:

Tuberías, accesorios, y válvulas mucho más robustos en todo el campo solar

debido a que se trabaja con altas presiones, lo que representa altos costos de

inversión.

Mantener mecanismos de protección contra la congelación en tubos

absorbentes cuando las temperaturas ambientales sean negativas.

Mantener caudales medios o altos de agua circulando por los tubos

absorbentes para evitar tener régimen estratificado de flujo en la zona

evaporativa.

Sistemas de control más complejos y costosos.

Falta de sistema de almacenamiento térmico adecuado.

3.8 SELECCIÓN DEL ACEITE TÉRMICO

Por lo mencionado en el apartado anterior, las sales fundidas quedan descartadas

por su alto punto de fusión, valor que supera los 200ºC que es prácticamente la

temperatura promedio de funcionamiento que se ha planteado para esta

investigación, además no está disponible en el país y requiere de calentamiento

auxiliar.

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55

De igual forma se tiene con el sodio líquido, gases a presión, y agua – vapor, para

este proyecto en concreto tampoco son viables debido que se encuentran en etapa de

investigación en pequeños campos termosolares implementadas, además que el

prototipo de investigación es un una micro central compuesta únicamente por 18

colectores.

Las alternativas que quedan son el agua y el aceite térmico, de estas dos

alternativas descartamos al agua, debido a su alta presión que presenta en

temperaturas superiores a los 200ºC, lo que implica tener sistemas de tubería,

válvulas y protecciones más robustas además de realizar un tratamiento al agua para

minimizar la dureza que habitualmente suele tener y que causa corrosión.

Por tal motivo para este proyecto de investigación la mejor alternativa es el fluido

térmico, y dentro de estas son los aceites minerales de transferencia de calor

(Texatherm 46 o el Shell termia Oil B), ya que estos tienen puntos de fusión (-12ºC)

inferiores al therminol VP1 (12ºC) y al Dowtherm que son los que frecuentemente

se utilizan para plantas termosolares de algunos megavatios de potencia

(generalmente 50MW).

Los aceites minerales para transferencia de calor mencionados en el apartado

3.2.2 se encuentran disponibles en el país, además este tipo de fluidos son

empleados en las calderas que funcionan con fluido térmico, ya que actualmente el

aceite térmico es la alternativa tecnológica más apropiada para todo tipo de industria

donde se precise del calentamiento indirecto, además no exige un nivel alto de

mantenimiento como sucede con las calderas de vapor. Se trata de equipos que

trabajan sin presión y sin agua, lo que evita gran parte de la problemática del vapor:

fugas, corrosiones, tratamiento de agua, etc., y que conllevan a un elevado grado de

mantenimiento.

Adicionalmente, la durabilidad de los equipos y de las instalaciones es

prácticamente ilimitada, pudiéndose aplicar en todo tipo de sectores: químico,

petroquímico, alimentario, hotelero, hospitalario, plástico, farmacéutico, etc.

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56

Originalmente los primeros procesos que usaron aceite térmico fueron aquellos

que requerían elevadas temperaturas de calentamiento. Dicho de otro modo, aquellos

procesos donde la aplicación del vapor no representaba una alternativa cómoda. Es

así que ahora la industria moderna utiliza estos equipos incluso en los casos en que

las temperaturas son relativamente bajas (alrededor de los 100ºC).

Es importante considerar que la temperatura del proceso es la temperatura

promedio del líquido térmico, pero en las paredes del calentador de aceite, donde el

aceite viaja en el interior de tubos que del otro lado están expuestos a la flama del

quemador o en este caso a la radiación solar, se forma una pequeña capa de aceite

que se encuentra a una temperatura mayor a la promedio, denominada temperatura de

film. La selección correcta del aceite térmico, se debe hacer de acuerdo a la

temperatura máxima de film y no de acuerdo a la promedio.

3.9 ACEITES VEGETALES COMO ALTERNATIVA AL FLUIDO DE

TRABAJO

En la presente investigación se busca determinar también otra alternativa a la

mencionada en la selección del fluido de trabajo, por esta razón se desarrolla análisis

de parámetros y ensayos utilizando aceites vegetales comestibles, dentro de los

aceites vegetales se trabaja con tres tipos de aceites comestibles que se encuentran

comercialmente en el mercado como son aceite de girasol, aceite vivi soya y aceite

sabrosón.

En el siguiente capítulo se presentan los ensayos realizados a los aceites

comestibles mencionados obteniendo valores de presión a diferentes temperaturas, se

realiza la tabulación de datos y se generan las gráficas respectivas.

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57

CAPÍTULO 4

ANÁLISIS DE RESULTADOS CON ACEITES

VEGETALES COMESTIBLES

El presente capítulo corresponde al estudio de tres aceites vegetales comestibles

que se utilizan en la cocina para las distintas actividades de preparación de alimentos,

estos ensayos se los realiza para determinar su viabilidad de utilizarlos como fluido

térmico, y luego realizar la comparación con un aceite sintético que cumplen con la

función caloportadora mencionados en el capítulo 3 (Texatherm y Shell termia Oil

B) y que fueron seleccionados como las mejores alternativas para este caso

específico.

La oferta actual de aceites de cocina en el país es homogénea en su producción y

procesos, lo único que los diferencia es la tecnología y materias primas que utilizan

cada uno de ellos. Existen diferentes empresas que ofrecen en el mercado nacional

aceites de cocina, y cada proveedor cuenta con varios tipos de aceites y

presentaciones de acuerdo a la materia prima utilizada, los precios de venta son muy

similares entre ellos y se encuentran en valores promedio de 2,50 dólares el litro de

aceite, es importante mencionar que mientras el envase es más pequeño el precio

aumenta, es decir si se pretende comprar la presentaciones de 500ml, el precio de

este bordea 1,60 dólares, de igual manera sucede si el envase que se compra es de 2

litros, el precio está alrededor de 4,50 dólares.

A continuación se presenta en el siguiente cuadro, los aceites fabricados por tres

diferentes proveedores con sus productos que tienen mayor disponibilidad en el país.

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58

Tabla 17

Productores de aceites de cocina

Fabricante Producto

DANEC Aceite el cocinero

Aceite el cocinero light

Aceite vivi girasol

Aceite vivi canola

Aceite palma de oro

Aceite mazorca de oro

Aceite vivi soya

INDUSTRIAS

ALES

Aceite alesoya

Aceite alesol vitaminas

Aceite duque de alba girasol

Aceite alesoya olivado

Aceite alesol

Aceite dos coronas

LA FABRIL

Aceite Luigi

Aceite girasol

Aceite la favorita light

Aceite la favorita

Aceite la perla

Aceite criollo

Aceite sabrosón

Los aceites con los que se van a realizar los ensayos son aceite “Sabrosón” y aceite

de “Girasol” de la empresa Lafabril, y el aceite “Vivi Soya” del fabricante Danec.

4.1 PROTOTIPO PARA REALIZACIÓN DE PRUEBAS

Con la finalidad de determinar el comportamiento de los aceites a diferentes

temperaturas, se construyó un prototipo para este fin, en este se realizaron diferentes

pruebas de calentamiento, en la siguiente figura se muestra un bosquejo del equipo

construido.

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59

Figura 36. Bosquejo de equipo calentador de muestras de aceite.

El equipo construido consta de:

Un cilindro en acero inoxidable de 1 litro de capacidad, realizado en este

material para evitar contaminación del aceite con el material del cilindro, en

la parte superior cuenta con un orificio para el llenado del aceite a calentar, y

en la parte inferior cuenta con una válvula de drenaje para poder vaciar el

aceite utilizado.

Manómetro para medir la presión del aceite dentro del cilindro que se

encuentra en calentamiento.

Medidor de temperatura, es un controlador digital marca “Camsco” con su

respectiva termocupla tipo J, que permite visualizar la temperatura en una

pantalla LCD.

Dos mecheros bunsen, utilizados para calentar al cilindro que contiene dentro

al aceite.

Trípode, es un aparato de tres patas de base circular o triangular, utilizado

como herramienta de fijación o de sostén.

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60

Malla de amianto, este instrumento se coloca sobre el trípode para que a su

vez sea este quien permita asentar el recipiente a calentar, esta malla permite

que el calor se distribuya de forma uniforme sobre la base del recipiente

En la siguiente figura se muestra el prototipo construido.

Figura 37. Equipo construido para el calentamiento de aceite.

4.2 PROCEDIMIENTO PARA ANÁLISIS DE TEMPERATURA Y PRESIÓN

El procedimiento realizado para el calentamiento de las muestras de aceite, es el

descrito a continuación:

a) Se coloca la muestra a ser analizada en una probeta con capacidad de 500ml.

b) Se cierra la válvula de drenaje del prototipo calentador de muestras, ubicado

en la parte inferior.

c) Se vierte la muestra de la probeta de 500ml dentro del cilindro del prototipo

calentador, a través del orificio para llenado.

d) Se cierra el orificio de llenado con un tapón que contiene la termocupla, de tal

forma que el cilindro queda sellado herméticamente y el instrumento de

medición de temperatura también se encuentra en posición.

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61

e) Se coloca la malla de amianto sobre el trípode.

f) Se coloca el cilindro con la muestra de aceite sobre la malla de amianto.

g) Se colocan los dos mecheros bunsen bajo la malla de amianto, en medio del

trípode y se encienden para iniciar la generación de calor al cilindro.

h) Se toman mediciones de temperatura inicial que corresponde a la temperatura

ambiente.

i) Se realiza mediciones de presión con intervalos de 1 psi, y se anotan los

valores de temperatura correspondientes. Este procedimiento se lo realiza

hasta llegar a temperaturas cercanas a 300°C.

j) Se procede a apagar los mecheros bunsen y se permite que la muestra se

enfríe.

k) Se destapa el orificio de llenado de aceite para eliminar la presión negativa

que se encuentra en el interior del cilindró debido al enfriamiento del aceite.

l) Una vez que el aceite se encuentra a la temperatura ambiente se realiza

mediciones de densidad.

m) Se vacía el cilindro en un recipiente de 500ml.

n) Se limpia el cilindro con tal cuidado de no permitir que quede material

sobrante dentro del cilindro para evitar que afecte a las condiciones de la

siguiente muestra que va a ser ensayada.

Este procedimiento se lo realizó con los tres aceites vegetales

4.3 RESULTADOS OBTENIDOS DEL ANÁLISIS DE CALENTAMIENTO

Luego de realizar el procedimiento descrito anteriormente, se presenta a

continuación los resultados obtenidos para cada aceite utilizado, las tablas generadas

corresponden a los datos promedios recolectados durante el primero y segundo mes

de pruebas de calentamiento, y finalmente se generan las curvas con estos datos

obtenidos.

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62

4.3.1 ACEITE MARCA “SABROSÓN”

Este aceite pertenece a la empresa fabricante La Fabril, cuyas características

según el fabricante tienen excelente estabilidad frente al calor, no contiene ácidos

grasos "trans". Está formado por una mezcla de aceite de soya y oleína de palma,

viene en una variedad de presentaciones:

Funda de 1/2 litro / Caja x 24 unidades.

Funda de 1 litro / Caja x 12 unidades.

Botella 900 ml / Caja x 15 unidades.

Botella 1 litro / Caja x 15 unidades.

Garrafa de 3.784 litros / Caja x 6 unidades.

Bidón de 20 litros.

Figura 38. Presentación en funda de ½ litro de aceite “Sabrosón”.

Los datos que se presentan a continuación tablas 2 y 3 pertenecen al promedio del

calentamiento del aceite vegetal “Sabrosón” correspondiente al primer y segundo

mes respectivamente, los datos obtenidos durante todo el tiempo de ensayos se

presentan en las siguientes tablas.

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63

Tabla 18

Presión a diferentes temperaturas del aceite sabrosón, primer mes de calentamiento.

DIA 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

P(PSI) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C)

0 20 20 21 21 20 20 21 21 20 20

2 46 48 52 51 52 50 48 52 53 52

3 76 79 80 78 79 83 80 80 82 84

4 106 106 110 115 115 112 112 110 110 112

5 124 126 132 130 136 140 136 130 134 134

6 148 150 150 152 154 150 152 156 156 152

7 170 174 174 172 180 182 178 178 176 182

8 194 200 198 204 200 200 202 206 210 202

9 228 230 232 228 234 230 238 232 236 238

10 268 270 270 274 270 272 276 272 276 274

11 285 290 288 292 292 290 288 290 290 288

12 300 304 300 302 304 302 306 304 306 302

DIA 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

P(PSI) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C)

0 19 20 19 20 21 20 21 20 19 19

2 51 53 50 51 50 53 48 48 47 52

3 86 84 80 80 82 84 83 85 80 84

4 115 118 115 114 116 110 110 112 112 110

5 130 136 138 138 134 136 138 134 134 136

6 154 156 154 156 158 156 158 156 158 156

7 182 180 178 178 174 176 176 180 178 178

8 204 206 210 210 204 206 210 204 206 210

9 240 238 240 238 238 242 238 244 238 238

10 278 276 274 278 274 274 276 278 278 276

11 286 290 288 288 292 290 292 290 294 296

12 304 300 304 300 302 304 306 306 304 306

DIA 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

P(PSI) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C)

0 20 20 19 20 19 21 21 20 20 19

2 52 50 51 54 50 48 48 46 52 52

3 86 84 82 84 86 84 86 82 84 86

4 112 115 115 114 112 112 110 112 114 116

5 138 140 134 134 136 138 136 136 130 134

6 158 160 158 160 156 160 156 156 158 160

7 176 176 174 180 180 178 176 180 180 180

8 206 210 208 208 206 210 206 208 210 208

9 240 242 246 240 240 242 244 244 246 246

10 276 274 274 276 274 274 272 276 276 278

11 290 290 288 294 292 292 294 288 290 294

12 304 302 302 304 306 306 304 306 304 304

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64

Tabla 19

Presión a diferentes temperaturas del aceite sabrosón, segundo mes de calentamiento.

DIA 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

P(PSI) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C)

0 20 20 21 20 20 19 19 20 21 20

2 50 54 56 52 52 56 50 52 51 55

3 80 86 84 82 88 90 84 90 90 86

4 110 116 118 120 118 120 120 122 126 128

5 146 150 150 148 150 148 150 152 148 150

6 178 188 186 182 190 182 180 182 184 182

7 190 200 204 208 210 208 214 220 224 222

8 240 244 240 246 248 254 250 254 250 252

9 274 276 274 278 280 276 280 274 276 274

10 294 296 296 302 298 304 308 306 310 314

11 316 310 320 324 326 320 322 326 324 326

12 330 330 326 330 334 338 336 336 332 332

DIA 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

P(PSI) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C)

0 20 21 20 20 19 19 20 19 21 20

2 52 56 52 53 55 56 56 50 55 51

3 84 86 90 88 94 94 92 90 96 94

4 128 126 124 126 126 128 132 130 130 130

5 148 150 148 148 150 152 152 150 144 160

6 194 196 188 186 186 182 180 178 184 184

7 224 226 220 218 222 224 228 228 224 226

8 254 250 258 260 258 256 258 260 256 254

9 274 280 276 276 278 276 279 280 278 280

10 310 308 309 310 310 308 306 308 310 310

11 328 318 318 324 326 324 328 330 328 326

12 330 328 328 328 330 334 336 340 340 338

DIA 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

P(PSI) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C)

0 19 18 20 19 19 21 20 21 20 20

2 54 54 56 60 60 58 56 55 58 58

3 90 92 88 96 96 90 94 96 98 98

4 128 128 130 130 126 128 130 130 126 130

5 150 154 146 150 162 150 152 160 162 164

6 180 178 194 188 188 190 186 190 192 188

7 218 216 218 220 222 224 218 216 224 224

8 254 250 258 260 258 260 262 258 254 254

9 278 280 276 278 278 270 278 284 280 284

10 304 309 310 314 312 310 312 310 314 312

11 330 330 328 326 322 330 322 320 318 324

12 338 336 334 336 334 338 334 336 336 338

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65

Tabla 20

Promedio de Presión a diferentes temperaturas del aceite sabrosón, primer mes de

calentamiento.

TEMPERATURA °C PRESION PSI

20 0

50 2

82 3

112 4

134 5

156 6

180 7

206 8

238 9

275 10

290 11

304 12

Tabla 21

Promedio de presión a diferentes temperaturas del aceite sabrosón, segundo mes de

calentamiento.

TEMPERATURA °C PRESION PSI

20 0

54 2

90 3

126 4

152 5

186 6

218 7

254 8

278 9

308 10

324 11

334 12

338 13

348 14

De las tablas anteriores se genera la curva de comportamiento de la presión del

aceite sabrosón en función de la temperatura, se realizó dos tablas promedios de

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66

calentamiento para observar si la variación de presión que ejerce el aceite es

directamente proporcional a la temperatura y al número de calentamientos.

Figura 39. Variación de la presión debido al aumento de temperatura en el aceite marca “Sabrosón”.

En el siguiente gráfico se presenta una comparación del aceite antes y después de las

pruebas relizadas.

Figura 40. Aceite sabrosón antes y después del calentamiento.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 100 200 300 400

PR

ES

ION

(p

si)

Temperatura (°C)

PRIMER

CALENTAMIENTO

SEGUNDO

CALENTAMIENTO

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67

4.3.2 ACEITE DE GIRASOL

Este aceite pertenece a la empresa fabricante La Fabril, cuyas características según

el fabricante son aceite de color claro y brillante, rico en ácidos grasos poli –

insaturados, contiene aceites vegetales como el Omega 6, no contiene aditivos ni

preservantes, no contiene ácidos grasos "trans".

Viene en una variedad de presentaciones:

Mini sol / 150 ml

Doypack / 250ml

Botella de 1/2 litro / Caja x 30 unidades.

Botella de 1 litro / Caja x 12 unidades.

Botella de 2 litros / Caja x 8 unidades.

Figura 41. Aceite Girasol.

Los datos que se presentan a continuación corresponden al promedio del

calentamiento del aceite vegetal “Girasol” correspondiente al primer mes, los datos

obtenidos durante todo el tiempo de ensayos se presentan en las siguientes tablas.

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68

Tabla 22

Presión a diferentes temperaturas del aceite Girasol, primer mes de calentamiento.

DIA 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

P(PSI) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C)

0 21 21 21 21 21 21 20 21 21 21

2 54 55 55 54 55 52 54 54 55 54

3 84 80 80 80 82 82 83 84 85 85

4 112 106 106 110 115 115 112 112 110 110

5 140 136 138 138 138 136 140 136 136 142

6 158 158 159 156 158 154 158 158 160 160

7 178 176 178 174 178 180 182 178 178 176

8 206 194 200 198 204 200 200 202 206 210

9 226 224 222 226 228 226 228 228 224 224

10 256 258 260 256 256 254 254 256 252 254

11 276 274 274 276 278 278 276 278 280 280

12 290 290 294 290 292 288 292 296 294 296

DIA 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

P(PSI) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C)

0 21 21 20 21 20 21 21 21 20 20

2 52 54 55 54 51 54 53 50 52 55

3 84 86 84 83 82 82 84 85 85 84

4 112 115 118 115 114 116 110 110 112 112

5 140 142 142 138 140 142 142 138 142 140

6 158 156 158 158 156 158 156 158 156 158

7 182 182 180 178 178 174 176 176 180 178

8 202 204 206 210 210 204 206 210 204 206

9 226 228 226 224 224 226 228 228 230 230

10 256 258 258 256 254 254 254 256 258 258

11 278 276 270 278 278 282 280 282 280 274

12 292 290 288 294 288 288 286 290 288 294

DIA 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

P(PSI) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C)

0 20 20 20 20 20 20 21 21 20 20

2 52 52 56 52 56 50 52 54 55 55

3 84 86 83 82 84 86 84 86 85 84

4 110 112 115 115 114 112 112 110 112 114

5 138 140 140 138 142 140 140 142 140 140

6 156 158 160 158 160 156 160 156 156 158

7 178 176 176 174 180 180 178 176 180 180

8 210 206 210 208 208 206 210 206 208 210

9 224 224 226 224 226 226 224 228 225 224

10 256 256 254 254 256 254 254 252 256 256

11 276 274 276 274 274 272 272 274 278 274

12 296 292 290 288 288 286 286 290 288 286

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69

Tabla 23

Presión a diferentes temperaturas del aceite Girasol, segundo mes de calentamiento.

DIA 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

P(PSI) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C)

0 22 23 23 23 22 23 23 23 23 22

2 54 56 56 58 58 58 56 58 59 60

3 90 92 92 94 94 96 94 94 95 95

4 128 130 126 130 130 125 130 124 128 129

5 150 156 158 158 158 156 150 156 156 152

6 170 176 179 176 178 174 178 178 180 180

7 200 206 208 204 208 200 202 208 202 202

8 226 224 230 228 228 230 230 232 226 230

9 256 254 262 260 258 260 258 258 254 254

10 286 288 280 286 286 284 284 286 282 284

11 296 294 294 296 298 298 296 298 300 290

12 310 310 308 310 308 308 308 306 304 306

DIA 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

P(PSI) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C)

0 23 23 23 23 23 22 23 23 22 23

2 60 60 58 58 58 59 60 60 58 58

3 94 96 94 93 92 92 94 95 95 94

4 130 125 128 128 130 126 126 130 122 124

5 150 152 152 158 160 162 162 158 162 160

6 178 176 178 178 180 178 176 178 180 178

7 202 206 204 206 208 204 206 206 200 208

8 232 224 226 230 230 224 226 230 224 226

9 256 258 262 254 254 262 258 258 260 260

10 286 288 288 286 284 284 284 286 288 288

11 298 296 300 298 298 298 300 302 300 300

12 310 308 308 304 308 308 306 310 308 304

DIA 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

P(PSI) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C)

0 22 23 22 23 22 23 23 22 22 22

2 56 60 60 60 58 58 56 54 58 58

3 94 96 93 92 94 96 94 96 95 94

4 124 122 125 125 130 130 132 132 128 130

5 158 160 160 168 160 160 162 162 160 160

6 176 178 180 178 180 176 180 176 176 178

7 208 206 206 204 200 200 208 206 200 200

8 232 226 230 228 228 226 230 226 228 230

9 254 254 260 256 256 260 260 258 255 258

10 286 280 284 280 286 280 284 282 280 280

11 296 294 296 300 294 298 298 300 298 300

12 306 308 310 308 308 306 306 310 308 306

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70

Tabla 24

Presión a diferentes temperaturas del aceite girasol, primer mes de calentamiento.

TEMPERATURA °C PRESION PSI

21 0

54 2

84 3

112 4

140 5

158 6

178 7

206 8

226 9

256 10

276 11

290 12

302 13

En la siguiente tabla se muestra los datos obtenidos durante el segundo mes de

ensayos

Tabla 25

Presión a diferentes temperaturas del aceite Girasol, segundo mes de calentamiento.

TEMPERATURA °C PRESION PSI

23 0

58 2

94 3

128 4

158 5

178 6

204 7

228 8

258 9

284 10

298 11

308 12

314 13

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71

De las tablas anteriores se genera la curva de comportamiento de la presión del aceite

de Girasol en función de la temperatura.

Figura 42. Variación de la presión debido al aumento de temperatura en el aceite de Girasol.

En el siguiente gráfico se presenta una comparación del aceite antes y después de las

pruebas relizadas.

Figura 43. Aceite Girasol antes y después del calentamiento.

0

2

4

6

8

10

12

14

0 100 200 300 400

PR

ES

ION

(p

si)

TEMPERATURA (°C)

PRIMER

CALENTAMI

ENTOSEGUNDO

CALENTAMI

ENTO

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72

4.3.3 ACEITE VIVI SOYA

Este aceite pertenece a la empresa fabricante Danec, cuyas características según el

fabricante tienen excelente estabilidad frente al calor, no contiene ácidos grasos

"trans", composición: aceite vegetal comestible de soya y antioxidantes TBHQ

(terbunil hidroquinoa). Viene en una variedad de presentaciones:

Botella de 1/2 litro / Caja x 24 unidades.

Botella de 1 litro / Caja x 12 unidades.

Botella de 1.8 litro / Caja x 6 unidades.

Figura 44. Aceite Vivi soya.

Los datos presentados en la Tabla N.6 corresponden al promedio del calentamiento

del aceite vegetal “Vivi Soya” tomados el primer mes de ensayos, y los datos

presentados en la Tabla N.7 corresponden al promedio del calentamiento obtenidos

durante el segundo mes de ensayos, todos los valores obtenidos se presentan en las

siguientes tablas.

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73

Tabla 26

Presión a diferentes temperaturas del aceite Vivi soya, primer mes de calentamiento.

DIA 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

P(PSI) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C)

0 18 18 19 19 18 18 19 18 18 18

2 44 45 45 44 45 42 44 44 45 44

3 72 70 70 70 72 72 73 74 75 75

4 102 106 96 100 105 105 102 102 100 100

5 122 126 128 128 128 126 130 126 126 122

6 140 138 139 136 138 134 138 138 140 140

7 152 146 148 154 158 160 152 148 148 146

8 164 164 160 168 164 170 170 162 166 160

9 176 174 178 176 178 176 178 178 174 174

10 190 188 190 196 196 194 194 196 192 194

11 200 204 204 206 202 198 196 198 200 198

12 212 211 214 214 212 214 212 216 214 216

DIA 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

P(PSI) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C)

0 19 19 18 18 18 18 18 18 19 20

2 42 44 45 44 41 44 43 40 42 45

3 74 70 74 73 72 72 70 75 70 74

4 102 100 98 95 94 106 100 100 102 102

5 120 122 122 125 122 122 106 120 122 118

6 142 142 144 142 146 144 140 138 146 146

7 152 152 152 150 148 154 156 156 160 158

8 162 164 166 170 170 164 166 170 164 166

9 176 178 178 174 176 176 178 178 180 180

10 196 198 198 190 184 184 184 186 188 188

11 198 196 200 198 198 194 200 202 200 204

12 201 210 210 214 208 208 208 210 208 214

DIA 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

P(PSI) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C)

0 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18

2 42 42 46 42 46 41 42 44 45 45

3 74 70 73 72 74 70 70 72 75 72

4 104 102 104 104 104 102 102 100 102 104

5 118 120 124 120 122 120 120 122 120 120

6 138 138 140 138 140 136 140 140 136 136

7 158 158 148 154 150 150 148 150 150 150

8 160 166 160 168 162 166 160 160 158 160

9 174 174 176 174 180 180 174 178 175 146

10 186 186 184 184 186 184 186 190 180 200

11 200 202 206 204 204 202 202 204 198 194

12 216 212 210 218 218 218 216 210 218 206

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74

Tabla 27

Presión a diferentes temperaturas del aceite Vivi soya, segundo mes de

calentamiento.

DIA 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

P(PSI) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C)

0 23 23 23 22 23 23 22 22 23 23

2 38 35 35 34 38 42 38 38 40 38

3 62 60 60 60 62 62 63 64 65 65

4 84 86 86 90 85 85 82 82 80 80

5 108 106 108 108 108 106 110 106 106 112

6 120 118 119 120 120 124 126 122 120 120

7 138 136 138 134 138 140 142 138 138 136

8 150 151 150 148 148 150 150 152 149 150

9 162 164 166 166 160 162 164 166 154 154

10 170 168 170 166 166 164 164 168 170 170

11 186 184 184 186 188 188 186 188 180 188

12 194 194 194 192 192 194 192 196 194 196

DIA 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

P(PSI) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C)

0 23 23 22 23 22 23 23 22 23 23

2 36 36 40 40 36 36 38 38 40 38

3 64 60 65 63 62 62 60 65 60 64

4 82 80 78 78 82 86 86 88 82 88

5 110 112 112 105 110 110 106 110 104 108

6 122 122 124 122 126 124 120 121 120 120

7 142 140 142 140 138 134 136 136 136 138

8 152 154 156 150 156 154 152 150 150 150

9 156 158 158 154 160 162 158 162 164 160

10 176 178 178 170 174 174 174 176 178 170

11 178 186 188 188 188 184 190 190 188 188

12 191 190 190 194 198 198 198 200 198 196

DIA 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

P(PSI) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C)

0 23 23 23 23 23 23 23 22 23 23

2 40 38 38 40 36 39 42 38 40 35

3 64 60 63 62 64 60 60 62 65 62

4 84 84 84 84 84 82 82 86 88 86

5 108 110 114 110 104 110 110 108 104 106

6 118 118 120 118 118 116 120 120 116 116

7 138 138 138 134 140 140 138 138 140 136

8 152 148 148 146 150 146 150 150 148 150

9 164 164 166 164 160 160 164 168 168 166

10 166 166 174 174 171 164 166 168 170 170

11 180 188 186 184 184 182 182 184 188 184

12 196 192 196 196 198 198 196 190 190 190

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75

Tabla 28

Presión a diferentes temperaturas del aceite Vivi soya, primer calentamiento.

TEMPERATURA °C PRESION PSI

18 0

44 2

72 3

102 4

122 5

140 6

152 7

164 8

176 9

190 10

200 11

212 12

224 13

244 14

256 15

266 16

284 17

292 18

Tabla 29

Presión a diferentes temperaturas del aceite vivi soya, segundo mes de calentamiento.

TEMPERATURA °C PRESION PSI

23 0

38 2

62 3

84 4

108 5

120 6

138 7

150 8

162 9

170 10

186 11

194 12

204 13

220 14

237 15

252 16

270 17

278 18

290 19

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76

De las tablas anteriores se genera la curva de comportamiento de la presión del aceite

Vivi Soya en función de la temperatura.

Figura 45. Variación de la presión debido al aumento de temperatura en el aceite de Vivi Soya.

En el siguiente gráfico se presenta una comparación del aceite antes y después de las

pruebas relizadas.

Figura 46. Aceite Vivi Soya antes y después del calentamiento.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0 100 200 300 400

PR

ES

ION

(p

si)

TEMPERATURA (°C)

PRIMER

CALENTAMIENTO

SEGUNDO

CALENTAMIENTO

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77

4.3.4 ACEITE TEGRA ISO 68

Los Tegra synthetic compressor oils son lubricantes sintéticos para

compresor, formulados con fluidos a base de polialfaolefina (PAO) de la más alta

calidad, brinda excepcional estabilidad térmica y a la oxidación, esto genera larga

vida del lubricante en operaciones de alta temperatura, también genera

mantenimiento y tiempo de inactividad mínimos, lo que ayuda a promover largos

intervalos de servicio lo que puede minimizar los costos de operación (Chevron,

2011). En el Anexo N.7 se presenta mayor información sobre este fluido.

Tabla 30

Características típicas del aceite Tegra Iso 68

Grado ISO 68

Gravedad API 36.5

Viscosidad cinemática

cSt a 40°C 64.6

cSt a 100°C 10

Indice de viscosidad 139

Punto de inflamación, °C (°F) 252 (504)

Punto de escurrimiento, °C (°F) < -56 ( < -69 )

Punto de Ignición, °C (°F) 282 (540)

Fuente: (Chevron, 2011)

Tabla 31

Presión a diferentes temperaturas del aceite Tegra 68, primer mes de calentamiento.

TEMPERATURA °C PRESION PSI

20 0

54 2

84 3

112 4

136 5

156 6

174 7

202 8

222 9

238 10

262 11

274 12

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78

En la siguiente tabla se muestra los datos obtenidos durante el segundo mes de

ensayos

Tabla 32

Presión a diferentes temperaturas del aceite Tegra 68, segundo mes de calentamiento.

TEMPERATURA °C PRESION PSI

20 0

52 2

82 3

92 4

102 5

110 6

148 7

168 8

188 9

206 10

228 11

242 12

De las tablas anteriores se genera la curva de comportamiento de la presión del

aceite Tegra 68 en función de la temperatura.

Figura 47. Variación de la presión debido al aumento de temperatura en el aceite Tegra 68.

0

5

10

15

20

25

0 100 200 300 400

PR

ES

ION

(p

si)

TEMPERATURA (°C)

PRIMER

CALENTAMIENTO

SEGUNDO

CALENTAMIENTO

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79

En el siguiente gráfico se presenta una comparación del aceite antes y después de las

pruebas relizadas.

Figura 48. Aceite Tegra 68 antes y después del calentamiento.

4.4 CARACTERIZACIÓN DE RESULTADOS

Con los datos obtenidos y mostrados en las tablas anteriores de los aceites

comestibles y del aceite sintético, se generan las curvas de comportamiento de la

presión al variar la temperatura. En una misma gráfica se colocan las tres muestras

para que el análisis sea más fácil de entender visualmente, y de esta forma poder

plantear cuales tienen una tendencia parecida en el caso de haberlas, de igual forma

se puede ver rápidamente hasta que valores se mantiene similares las curvas.

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80

Figura 49. Variación de la presión vs temperatura de los tres aceites comestibles y un aceite sintético

en el primer mes de calentamiento.

La gráfica indica que en el primer mes de calentamiento los cuatro aceites tienen

un comportamiento similar en cuanto a la variación de presión hasta la temperatura

cercana a los 120°C, superior a esta el aceite vivi soya presenta un aumento de

presión sobre los otros dos aceites comestibles y el sintético, a medida que se

incrementa la temperatura. Mientras que los otros aceites, mantienen sus

características muy similares en cuanto a presión hasta temperaturas cercanas a los

240°C, luego de esta se nota una ligera tendencia de subida de presión del aceite

Tegra 68 y seguido del aceite de girasol respecto al aceite sabrosón para las mismas

condiciones de temperatura.

En la siguiente gráfica se muestran las curvas generadas para el segundo mes de

calentamiento de los aceites.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0 100 200 300 400

PR

ES

ION

(p

si)

TEMPERATURA (°C)

TEGRA 68

ACEITE SABROSON

VIVE SOYA

GIRASOL

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81

Figura 50. Variación de la presión vs temperatura de los tres aceites comestibles y un aceite sintético

en el segundo mes de calentamiento.

En la gráfica anterior correspondiente al segundo mes de calentamiento ya se

puede notar una marcada variación del aceite vivi soya y del aceite sintético respecto

a los otros dos aceites, prácticamente desde los 30°C se nota un aumento superior de

presión sobre el aceite vivi soya, no así en el aceite de girasol y sabrosón que

mantienen sus características similares hasta los 220°C, luego de lo cual se nota un

ligero incremento de la presión en el aceite de girasol respecto al aceite sabrosón

mientras se incrementa la temperatura. El aceite sintético a partir de los 100°C se

nota el aumento de presión respecto a los aceites sabrosón y girasol, teniendo una

tendencia similar al aceite vivi soya sobre esta temperatura. Esta condición ligera

de aumento de presión se mantiene hasta los 300°C, luego de esta temperatura se

nota que la presión del aceite de girasol empieza aumentar de forma más gradual

comparado con el aceite sabrosón.

Por lo mencionado respecto a las curvas obtenidas en las gráficas 5.11 y 5.12 se

realiza una curva adicional únicamente para los aceites de girasol y sabrosón que son

los que mantienen sus características similares, para obtener la ecuación de tendencia

polinómica.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0 100 200 300 400

Prs

ión

(p

si)

Teperatura °C

ACEITE TEGRA 68

ACEITE SABROSON

VIVE SOYA

ACEITE GIRASOL

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82

Figura 51. Ecuaciones polinómicas de los aceites sabrosón y girasol.

Con las líneas de tendencia polinómicas graficadas y las ecuaciones generadas se

ve que sus valores son muy similares, y que el aceite sabrosón presenta ligera mejor

prestación de presión respecto a la temperatura comparado con el aceite de girasol.

4.5 ENSAYOS REALIZADOS EN LABORATORIO

Adicional a las pruebas realizadas con el prototipo construido, se realizaron

ensayos en un laboratorio, en el cual se procedió a realizar el calentamiento de los

aceites comestibles en un equipo denominado calentador con agitador magnético, los

equipos que se utilizaron para realizar estas pruebas fueron:

Calentador con agitador magnético

Balanza electrónica capacidad máxima 800g.

Enermeyer de 500ml de boro silicato.

Probeta de 250ml

Termo higrómetro

Termómetro de mercurio de -20°C a 360°C

y = 5E-07x3 - 0,0002x2 + 0,074x - 1,5067

R² = 0,9957

y = 3E-07x3 - 0,0001x2 + 0,0575x - 1,0498

R² = 0,9976

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 50 100 150 200 250 300 350

ACIETE

SABROSON

ACEITE DE

GIRASOL

Polinómica

(ACIETE

SABROSON)

Polinómica

(ACEITE DE

GIRASOL)

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83

Tapones de caucho

Medidor de densidad.

4.6 PROCEDIMIENTO REALIZADO EN LABORATORIO

Los ensayos realizados en laboratorio consistieron en calentar las muestras de

aceite durante dos horas y media cada una y determinar la temperatura alcanzada,

cambio de color de las muestras, cambio de densidades antes y después de ser

calentadas, el procedimiento realizado fue el siguiente:

a) Se coloca la muestra a ser analizada en una probeta con capacidad de 250ml

para medir su densidad con un equipo que va de 0.7 a 1.1, a 20°C.

b) Se coloca el Erlenmeyer de 500ml sobre la balanza y se encera, posterior a

esto se vierte 400g de la muestra a ser calentada.

c) Se coloca el termómetro de mercurio en el tapón de caucho (previamente

realizado un orificio para el termómetro) que es de la medida del Erlenmeyer

de ensayo.

d) Se coloca el Erlenmeyer de ensayo con el tapón y el termómetro de mercurio

ya acoplado sobre el calentador con agitador magnético

e) Se registra la temperatura y humedad relativa del ambiente.

f) Se enciende el calentador magnético, se gradúa el calentador en 370 y el

agitador en 1 (escala de 1 a 10) que controla la velocidad de giro del agitador

magnético.

g) Se deja la muestra que se caliente alrededor de dos horas y media, tiempo en

el cual la temperatura alcanza los 220°C y se mantiene.

h) Luego de este tiempo se retira la muestra de ensayo del calentador para que

se enfríe, y se procede a realizar el mismo procedimiento con las siguientes

muestras.

i) Al día siguiente las muestras se encuentran nuevamente a temperatura

ambiente y se reinicia con el procedimiento desde el paso a.

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84

Con este procedimiento lo que se pretende obtener son medidas de densidad de

las muestras antes y después de ser calentadas, para analizar su comportamiento con

los constantes calentamientos al que se encuentran sometidos los aceites.

En los siguientes gráficos se presentan los equipos utilizados.

Figura 52. Equipos de laboratorio

En esta figura se puede ver a la izquierda la balanza electrónica, en el centro el

medidor de temperatura y humedad junto con el cronómetro, y a la derecha el

calentador con agitador magnético y sobre el la muestra de aceite en el Erlenmeyer

de 500ml sujetando el tapón de caucho y el termómetro de mercurio.

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85

Figura 53. Pesaje de muestra de aceite a ser calentada.

4.7 RESULTADOS OBTENIDOS EN LABORATORIO

En la siguiente tabla se muestran los datos obtenidos de densidad con las

muestras de los tres aceites, este procedimiento se lo realizó durante 30 días para

analizar la variación que puede existir con el calentamiento diario de las muestras,

para este caso se realizó el calentamiento del aceite durante dos horas y media cada

muestra.

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86

Tabla 33

Valores de densidad de las muestras de aceite.

N. de días Densidad

Sabrosón Girasol Vivi Soya

1 0.92 0.93 0.91

2 0.92 0.93 0.91

3 0.92 0.93 0.91

4 0.93 0.92 0.92

5 0.92 0.93 0.91

6 0.92 0.93 0.91

7 0.92 0.92 0.91

8 0.92 0.93 0.91

9 0.92 0.93 0.91

10 0.92 0.93 0.91

11 0.92 0.92 0.91

12 0.92 0.93 0.91

13 0.92 0.93 0.91

14 0.92 0.93 0.91

15 0.92 0.93 0.91

16 0.92 0.93 0.92

17 0.93 0.93 0.91

18 0.92 0.93 0.91

19 0.92 0.93 0.91

20 0.92 0.92 0.91

21 0.92 0.93 0.91

22 0.92 0.93 0.91

23 0.92 0.92 0.91

24 0.93 0.93 0.91

25 0.92 0.93 0.91

26 0.92 0.93 0.91

27 0.92 0.93 0.91

28 0.92 0.92 0.91

29 0.92 0.93 0.91

30 0.92 0.92 0.91

De los ensayos realizados en laboratorio se pudo notar que las muestras no

cambiaron significativamente de color como sucedió en el caso que se utilizó el

prototipo para calentamiento de muestras, esto debido a que los valores de

temperatura a los que permanecieron las muestras no superaron los 220°C, es decir

no se oxidaron.

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87

Para determinar la densidad y viscosidad del aceite sabrosón que contiene aceite

de palma se consideró la siguiente gráfica para determinar la ecuación de relación de

densidad y viscosidad.

Figura 54. Relación Temperatura - densidad del aceite sabrosón

Fuente. Estudio de la viscosidad y densidad de diferentes aceites para su uso

como biocombustible.

𝑦 = −0.0007𝑥 + 0.9312

𝑦 = 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 (𝑔

𝑐𝑚3)

𝑥 = 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎(°𝐶)

Si la temperatura del aceite es 300 °C la densidad será:

𝑦 = −0.0007(300) + 0.9312

𝑦 = 𝜌 = 0.7212𝑔

𝑐𝑚3= 721.2

𝐾𝑔

𝑚3

y = -0,0007x + 0,9312

R² = 0,9998

0,700

0,750

0,800

0,850

0,900

0,950

0 50 100 150 200 250 300 350

DE

NS

IDA

D (

g/c

m3

)

TEMPERATURA (°C)

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88

Figura 55. Relación 1/T versus viscosidad del aceite

Fuente . Estudio de la viscosidad y densidad de diferentes aceites para su uso

como biocombustible.

𝑦 = 0.0023𝑒3003.5𝑥

𝑃𝑎𝑟𝑎 300°𝐶 = 573.150°𝐾

𝑥 =1

573°𝐾= 0.001745

𝑦 = 0.0023𝑒3003.5(0.001745)

𝑦 = 𝑣𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑐𝑖𝑛𝑒𝑚𝑎𝑡𝑖𝑐𝑎 = 0.0023 ∗ 188.879 = 0.4344 𝑐𝑠𝑡

𝑣𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑐𝑖𝑛𝑒𝑚𝑎𝑡𝑖𝑐𝑎 =𝑣𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑖𝑛𝑎𝑚𝑖𝑐𝑎

𝜌

𝑣𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑖𝑛𝑎𝑚𝑖𝑐𝑎 = 𝑣𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑐𝑖𝑛𝑒𝑚𝑎𝑡𝑖𝑐𝑎 ∗ 𝜌

1 St = 100 cSt = 1 cm2/s = 0.0001 m2/s

𝑣𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑖𝑛𝑎𝑚𝑖𝑐𝑎 = 4.344𝑥10−7𝑚2

𝑠∗ 721.2

𝐾𝑔

𝑚3

𝑣𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑖𝑛𝑎𝑚𝑖𝑐𝑎 = 3.130𝑥10−4𝐾𝑔

𝑚 𝑠= 𝑃𝑎

y = 0,0023e3003,5x

R² = 1

0,00000

10,00000

20,00000

30,00000

40,00000

50,00000

60,00000

70,00000

0,001500 0,002000 0,002500 0,003000 0,003500 0,004000

Vis

cosi

da

d (

cst)

1/T (1/°K)

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89

Tabla 34.

Densidad y viscosidad del aceite sabrosón proyectada.

T

ᵨ ᵨ v

°C °K 1/T cst g/cm3 K/m3 Pa

20 293.15 0.0034112 64.76 0.915 914.500 0.0592274

30 303.15 0.0032987 46.19 0.906 905.750 0.0418377

40 313.15 0.0031934 33.66 0.903 903.000 0.0303978

50 323.15 0.0030945 25.02 0.895 895.250 0.0223974

60 333.15 0.0030017 18.93 0.889 889.000 0.0168265

70 343.15 0.0029142 14.55 0.881 880.750 0.0128187

80 353.15 0.0028317 11.36 0.873 873.000 0.0099167

90 363.15 0.0027537 8.99 0.866 865.750 0.0077810

100 373.15 0.0026799 7.20 0.860 860.000 0.0061927

110 383.15 0.0026099 5.84 0.852 851.750 0.0049712

120 393.15 0.0025436 4.78 0.844 844.040 0.0040357

130 403.15 0.0024805 3.96 0.837 836.710 0.0033100

140 413.15 0.0024204 3.30 0.829 829.380 0.0027397

150 423.15 0.0023632 2.78 0.822 822.050 0.0022868

160 433.15 0.0023087 2.36 0.815 814.720 0.0019239

170 443.15 0.0022566 2.02 0.807 807.390 0.0016304

180 453.15 0.0022068 1.74 0.800 800.060 0.0013912

190 463.15 0.0021591 1.51 0.793 792.730 0.0011946

200 473.15 0.0021135 1.31 0.785 785.400 0.0010320

210 483.15 0.0020698 1.15 0.778 778.070 0.0008965

220 493.15 0.0020278 1.02 0.771 770.740 0.0007829

230 503.15 0.0019875 0.90 0.763 763.410 0.0006870

240 513.15 0.0019487 0.80 0.756 756.080 0.0006057

250 523.15 0.0019115 0.72 0.749 748.750 0.0005363

260 533.15 0.0018756 0.64 0.741 741.420 0.0004769

270 543.15 0.0018411 0.58 0.734 734.090 0.0004256

280 553.15 0.0018078 0.52 0.727 726.760 0.0003813

290 563.15 0.0017757 0.48 0.719 719.430 0.0003428

300 573.15 0.0017447 0.43 0.712 712.100 0.0003091

𝜇

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90

CAPÍTULO 5

DIMENSIONAMIENTO DEL SISTEMA HIDRÁULICO

En el presente capítulo se presenta el cálculo del tanque de expansión y la

bomba del prototipo de una central solar de colectores cilíndrico-parabólicos. La

distribución de los colectores solares se presenta en el siguiente gráfico.

Figura 56. Prototipo de central termo solar, ubicado en la terraza del laboratorio de energías

renovables de la ESPE – Sangolquí.

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91

Figura 57. Dimensiones y distribución de los 18 CCP del prototipo de central termo solar.

Como se observa, las dimensiones de los colectores cilindro parabólicos en el

campo solar son:

Ancho del colector: 150cm.

Separación entre colectores: 50 cm.

Separación entre filas desde el eje del colector: 290 cm.

Altura del piso al eje de rotación: 137cm

Separación del eje de rotación al eje focal: 30cm

Ancho de la parábola: 121cm

Longitud del arco de la parábola: 139cm.

Número de filas de colectores: 3 filas.

Número de colectores por fila: 6 unidades

Considerando las dimensiones descritas se procede a realizar los respectivos

cálculos del sistema hidráulico para el campo solar: bomba de recirculación y el

tanque de expansión.

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92

5.1 BOMBA DE RECIRCULACIÓN

El fluido térmico circula a través de un conjunto de tuberías desde los tanques

de almacenamiento hasta ser distribuida por todos los lazos de colectores solares.

Para ello, es necesario disponer de un sistema de bombeo que impulse el fluido con

la presión requerida y que venza las pérdidas de carga de la instalación, además tiene

como objeto elevar la presión del fluido térmico que garantice en todo momento que

el fluido permanezca en estado líquido y no haya vaporización. En el caso de las

grandes centrales termosolares suele utilizarse una presión mínima, a la entrada a las

bombas, de al menos 11 bar, ya que la presión de vapor del fluido térmico HTF a

393°C (máxima temperatura de utilización) es 10,6 bar.

Una central termosolar utiliza varias bombas para el manejo del fluido térmico

(García, 2012)

Bombas principales.- Bomba que transporta el fluido caloportador.

Bombas de caldera auxiliar.- De menor presión y caudal que las bombas

principales, son las encargadas de hacer circular el fluido a través de bloques

de potencia y no del campo solar. Los equipos que deben atravesar, además

de las tuberías de conducción, son las calderas y los intercambiadores del tren

de generación de vapor, no atraviesan el campo solar.

Bombas de recirculación.- La única función que cumplen es mover el fluido

para evitar su congelación y homogenizar temperatura en el circuito,

especialmente en los arranques.

Bombas de circulación de tanques de expansión.- Bomba pequeñas

encargadas, encargadas de la circulación del fluido entre los tanques de

rebose y el tanque de expansión.

Bombas de trasiego.- Encarga de trasvasar el fluido térmico un tanque

reservorio o camión cisterna hasta el tanque de reposición.

Bombas del sistema de depuración.- Son las encargadas del retorno del fluido

térmico depurado desde el sistema de eliminación de productos de

degradación.

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93

En este proyecto al tratarse de un prototipo de pocos colectores, se tiene

únicamente la bomba principal que es la encarga de mover el fluido durante el

funcionamiento normal de la central utilizando como aceite térmico al aceite

sabrosón.

Primero se calculó el flujo másico que circulara por el campo solar.

5.1.1 VELOCIDAD DEL FLUIDO, CAUDAL Y NÚMERO DE REYNOLDS

La velocidad asumida del fluido es de 2 m/s, con el valor de la velocidad, las

características del tubo receptor y la densidad del fluido, se puede obtener fácilmente

el caudal másico que circulará por cada uno de los colectores tan solo relacionando

los valores entre ellos. (Hernández, 2015)

𝑚𝑓 =𝜌𝑓(𝑇𝑓).𝜋.𝐷𝑖𝑛𝑡−𝑎𝑏𝑠

2 .𝑉𝑓

4 (2)

𝜌𝑓 𝑎 20°𝐶 =915 Kg/m3

𝑉𝑓 = 2m/s

𝐷𝑖𝑛𝑡−𝑎𝑏𝑠 = 0.032 m = 1 1/4” tubería principal

𝑚𝑓 =915

𝐾𝑔𝑚3 . 𝜋. (0.0254𝑚)2. 2

𝑚𝑠

4

𝑚𝑓 = 0.927 𝐾𝑔/𝑠

Para determinar el comportamiento del fluido, se calcula el número de Reynolds:

𝑅𝑒 =𝑣.𝜌.𝐷𝑖

𝜇

Donde:

𝑣 = 2𝑚

𝑠

𝜌 = 915𝐾𝑔

𝑚3

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94

𝐷𝑖 = 0.0254𝑚𝑚

𝜇 𝑑𝑖𝑛𝑎𝑚𝑖𝑐𝑎 = 0.05923𝐾𝑔

𝑚𝑠 , de tabla de análisis de viscosidad, un fragmento de la

tabla se detalla a continuación.

Tabla 35

Variación de Re con diámetro de tubería de 0.0254 m (1”) de acuerdo a la

temperatura.

C

°C

K

1/K

µ

cSt

ę

g/cm3

ę

kg/m3

v

Pa Re

20 293.15 0.003411 64.76 0.915 914.5 0.059227 784.38

70 343.15 0.002914 14.55 0.881 880.75 0.012819 3490.38

300 573.15 0.001745 0.43 0.712 712.1 0.000309 117026.92

𝑅𝑒20°𝐶 =2

𝑚𝑠 ∗ 914.5

𝐾𝑔𝑚3 ∗ 0.0254𝑚

0.059227𝑘𝑔𝑚𝑠

𝑅𝑒20°𝐶 =46.5 𝐾𝑔/𝑚𝑠

0.059227𝐾𝑔𝑚𝑠

𝑅𝑒20 = 784 , Régimen laminar a 20°C.

𝑅𝑒300°𝐶 =2

𝑚𝑠 ∗ 712.1

𝐾𝑔𝑚3 ∗ 0.0254𝑚

0.000309𝑘𝑔𝑚𝑠

𝑅𝑒300°𝐶 =36.19 𝐾𝑔/𝑚𝑠

0.000309𝐾𝑔𝑚𝑠

𝑅𝑒300 = 11 7119 , Régimen turbulento a 300°C.

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95

𝑅𝑒70°𝐶 =2

𝑚𝑠 ∗ 880.75

𝐾𝑔𝑚3 ∗ 0.0254𝑚

0.012819𝑘𝑔𝑚𝑠

𝑅𝑒70°𝐶 =44.74 𝐾𝑔/𝑚𝑠

0.012819𝐾𝑔𝑚𝑠

𝑅𝑒300 = 3490.30 , A 70°C comienza el régimen turbulento del aceite.

Tabla 36

Número de Reynolds para el aceite sabrosón para tubería de diámetro interno =

0.0254 m y 0.032 m a diferentes temperaturas.

T u p p v Re Re

C cSt g/cm3 kg/m3 Pa Ø 1” Ø 1 1/4”

20 64.76 0.915 914.5 0.05922739 784.38 988.19

50 25.02 0.895 895.25 0.02239744 2030.53 3381.34

60 18.93 0.889 889 0.01682649 2683.94 4397.33

70 14.55 0.881 880.75 0.01281896 3490.38 5634.14

80 11.36 0.873 873 0.00991669 4472.1 7120.96

90 8.99 0.866 865.75 0.00778098 5652.26 8887.87

100 7.2 0.86 860 0.00619271 7054.75 10965.6

110 5.84 0.852 851.75 0.00497118 8703.94 13385.22

120 4.78 0.844 844.04 0.00403569 10624.52 16177.94

130 3.96 0.837 836.71 0.00331003 12841.24 19374.79

140 3.3 0.829 829.38 0.00273966 15378.74 23006.42

150 2.78 0.822 822.05 0.0022868 18261.35 27102.93

160 2.36 0.815 814.72 0.00192385 21512.95 31693.59

170 2.02 0.807 807.39 0.00163039 25156.79 36806.75

180 1.74 0.8 800.06 0.00139115 29215.35 42469.63

190 1.51 0.793 792.37 0.00119461 33710.27 48708.23

200 1.31 0.785 785.4 0.00103197 38662.16 55547.21

210 1.15 0.778 778.07 0.00089647 44090.6 63009.8

220 1.02 0.771 770.74 0.00078285 50014.03 71117.71

230 0.9 0.763 763.41 0.00068701 56449.68 79891.13

240 0.8 0.756 756.08 0.00060569 64413.58 89348.64

250 0.72 0.749 748.75 0.00053633 70920.48 99507.22

260 0.64 0.741 741.42 0.00047686 78983.86 99507.22

270 0.58 0.734 734.09 0.00042563 87615.9 110382.24

280 0.52 0.727 726.76 0.00038129 96827.54 121987.45

290 0.48 0.719 719.43 0.00034275 106628.41 134335

300 0.43 0.712 712.1 0.00030911 117026.92 147435.5

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96

Con la finalidad de determinar las pérdidas de carga para una sola temperatura de

trabajo se consideró una temperatura promedio de 150°C, con esta temperatura se

obtuvieron los valores de la tabla 36.

5.1.2 PÉRDIDAS DE CARGA EN ACCESORIOS, TUBERÍAS Y EN

INTERCAMBIADOR:

Para la determinación de las pérdidas de carga en accesorios, tuberías e

intercambiador, es necesario conocer el diagrama de instalación, y determinar el

número de accesorios y metros de tubería a utilizarse para la instalación del equipo.

Figura 58. Dimensiones del campo solar por tramos

PÉRDIDAS DE CARGA EN TUBERÍAS

Se calculó el factor de fricción de la tubería, utilizando el diagrama de Moody,

teniendo en cuenta el número de Reynolds y la rugosidad relativa representada por:

𝑅𝑢𝑔𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑟𝑒𝑙𝑎𝑡𝑖𝑣𝑎 =𝜀

𝐷 (3)

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97

Los factores de fricción según tabla de Moody, para Reynolds a 150°C y con un

diámetro de tubería de 25.4 mm y 32mm son:

𝐷 = 25.4 𝑚𝑚

𝜀 = 0.045 𝑚𝑚

𝑅𝑢𝑔𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑟𝑒𝑙𝑎𝑡𝑖𝑣𝑎 =0.045 𝑚𝑚

25.4 𝑚𝑚= 0.0018

𝑅𝑒 = 18261.35

Utilizando el diagrama de Moody, el factor de fricción (f) para una tubería de

25.4 mm (1”) es: 0,03.

Factor de fricción f para tuberia de 25.4 mm del aceite sabroson a 150°C.

Figura 59. Diagrama de Moody: Factor de fricción f para tuberia de 25.4 mm a 150°C.

Fuente: (Diagramas de Moody, 2015)

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98

Para una tubería de 32 mm diámetro interno en acero inoxidable, el factor de

fricción (f) es 0.029, como se observa en la gráfica:

𝐷 = 32 𝑚𝑚

𝜀 = 0.045 𝑚𝑚

𝑅𝑢𝑔𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑟𝑒𝑙𝑎𝑡𝑖𝑣𝑎 =0.045 𝑚𝑚

32 𝑚𝑚= 0.0014

𝑅𝑒 = 23006

Figura 60. Diagrama de Moody: Factor de fricción f para tubería de 32mm a temperatura de 150°C

Fuente: (Diagramas de Moody, 2015)

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99

Tabla 37

Longitud total de tubería en el campo solar.

Tramo

Longitud

m

N

Tramos

Ø Interno

m

Longitud

total m

A-B 0.5 15 0.025 7.5

B-C 1.5 18 0.025 27

J-K 0.5 6 0.025 3

K-L 1.37 6 0.025 8.22

L-M 5.98 1 0.032 5.98

M-N 1.98 1 0.032 1.98

N-O 1.64 1 0.032 1.64

O-P 5.43 1 0.032 5.43

P-Q 0.55 1 0.032 0.55

R-S 1.34 1 0.032 1.34

S-T 0.68 1 0.032 0.68

T-U 1.67 1 0.032 1.67

V-W 0.48 1 0.032 0.48

W-X 1.33 1 0.032 1.33

X-Y 1.62 1 0.032 1.62

Y-Z 2.02 1 0.032 2.02

Z-Z* 5.98 1 0.032 5.98

TOTAL 32mm

30.7

TOTAL 25.4mm

45.72

Para cálculo de pérdidas de carga en tubería se aplica la siguiente ecuación:

(Hernández, 2015)

ℎ𝑓 = 𝑓 (𝐿

𝐷)

𝑉2

2𝑔 (4)

Donde:

ℎ𝑓 = Perdida de carga.

𝑓 = Factor de fricción.

𝐿 = Longitud de la tubería.

𝐷 = Diámetro de la tubería.

𝑉 = Velocidad del fluido.

𝑔 = Gravedad.

Para el tubo de 32 mm las pérdidas de carga en el campo solar son:

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100

ℎ𝑓32𝑚𝑚 = 0.030 (30.70𝑚

0.032𝑚) ∗ (

(2𝑚

𝑠) 2

2∗9.8𝑚

𝑠2

)

ℎ𝑓32𝑚𝑚 = 28.78 ∗ 0.10𝑚

ℎ𝑓32𝑚𝑚 = 2.88 𝑚

Para el tubo de 25.4 mm las pérdidas de carga del circuito y de los colectores son:

ℎ𝑓25.4𝑚𝑚 = 0.030 (45.72𝑚

0.0254𝑚) ∗ (

(2𝑚

𝑠) 2

2∗9.8𝑚

𝑠2

)

ℎ𝑓32𝑚𝑚 = 54 ∗ 0.10𝑚

ℎ𝑓32𝑚𝑚 = 5.40 𝑚

El total de pérdidas de carga en el total de tubería del campo solar:

ℎ𝑓 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑒𝑛 𝑡𝑢𝑏𝑒𝑟𝑖𝑎 = ℎ𝑓32𝑚𝑚 + ℎ𝑓25𝑚𝑚

ℎ𝑓 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑒𝑛 𝑡𝑢𝑏𝑒𝑟𝑖𝑎 = 2.88𝑚 + 5.40𝑚

hf total en tuberia = 8.28 m

PÉRDIDAS DE CARGA EN ACCESORIOS

En las tablas y gráfico que se presenta a continuación se contabilizo el número de

accesorios y longitud de tubería de la planta.

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101

Tabla 38

Número de accesorios utilizados en la planta.

Ø 25.4mm Ø 32mm

Tramo

N

Tramos Codos

Juntas

rotativas

Válvulas 1/2

vuelta Codos Tee

Válvulas

1/2 vuelta

A-B 15

B-C 18 36 36

J-K 6

K-L 6 12 12 6

L-M 1

2

M-N 1

1

N-O 1

1

O-P 1

1

P-Q 1

1

1

R-S 1

2

S-T 1

1

T-U 1

1

V-W 1

1

W-X 1

1

1

X-Y 1

1

Y-Z 1

1 1

Z-Z* 1

1 1

TOTAL

48 48 6 13 4 2

Las pérdidas singulares son las producidas por cualquier obstáculo colocado en la tubería

y que suponga una mayor o menor obstrucción al paso del flujo como son: entradas y salidas

de las tuberías, codos, válvulas, cambios de sección, etc. Normalmente son pequeñas

comparadas con las pérdidas lineales, salvo que se trate de válvulas muy cerradas. Para su

estimación se suele emplear la siguiente expresión (Pérdidas de carga, 2004):

ℎ𝑝𝑠 = ξ𝑉2

2𝑔= ξ (

8

𝑔𝜋2𝐷4) 𝑄2 (5)

Donde hps es la pérdida de carga en la singularidad, que se supone proporcional a la energía

cinética en valor promedio del flujo; la constante de proporcionalidad, ξ es el denominado

coeficiente de pérdidas singulares.

Existen nomogramas, como el presentado a continuación, que permiten estimar las

longitudes equivalentes para los casos de elementos singulares más comunes, en función del

diámetro de la tubería. En realidad, además del diámetro, la longitud equivalente depende del

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102

coeficiente de fricción, pero éste no se suele contemplar en esos nomogramas, por lo que el

cálculo es sólo aproximado.

Figura 61. Nomogramas de la longitud equivalente de elementos singulares

Fuente: (Pérdidas de carga, 2004)

La línea roja en el nomograma representa las pérdidas de carga en codos, mientras que la

línea azul representa las pérdidas de carga en tee, y las líneas amarillas representan las

pérdidas de carga en las válvulas.

Posterior a la pérdidas de carga individuales, para los codos de 25.4 mm pérdidas de 0.8

m, en el caso de codos de 32 mm la perdidas corresponden a 0.9 m. Mientras que para las

tees, en caso de la tee de 25.4 mm las pérdidas son de 2.5 m, la tee de 32 mm tiene pérdidas

de 3.1 m. Finalmente para las pérdidas de carga de la válvulas de media vuelta se consideró

las mismas perdidas que una válvula de compuerta, es así que para la válvula de 25.4 mm la

perdida es de 0.25 m, mientras que para la válvula de 32 mm la perdidas de carga es de 0.37

m. Con los datos obtenidos, se realiza el cálculo de las pérdidas totales en el circuito.

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103

Tabla 39

Perdidas de carga en accesorios.

Codos

de radio

pequeño

TEE

Válvulas

media

vuelta

Codos

de radio

pequeño

TEE

Válvulas

media

vuelta

Total de

pérdidas

en el

circuito

diámetro 25 mm 25

mm 25 mm 32 mm

32

mm 32 mm

total accesorios 12 0 6 13 4 2

perdidas por

accesorios 0.8 2.5 0.25 0.9 3.1 0.37

total perdidas por

accesorio 9.6 0 1.5 11.7 12.4 0.74 35.94

La pérdidas totales en accesorios es de 35.94 m, es decir, hps = 35.94 m.

PÉRDIDAS DE CARGA EN EL INTERCAMBIADOR

Para la determinación de las pérdidas de carga en el intercambiador se considera el número

de tubos, diámetro y longitud de cada uno de los tubos que forman parte del intercambiador

es así que:

Tabla 40

Longitud de tubería en el intercambiador.

N° tubos Diámetro

Mm

Longitud

m

longitud total

m

18 0.032 1.02 18.36

Para cálculo de pérdidas de carga en tubería del intercambiador, consideramos el factor

de fricción f=0.030 calculado anteriormente ara tubería de 32mm, la ecuación:

ℎ𝑓 = 𝑓 (𝐿

𝐷)

𝑉2

2𝑔

ℎ𝑓32𝑚𝑚 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑐𝑎𝑚𝑏𝑖𝑎𝑑𝑜𝑟 = 0.030 (18.36𝑚

0.032𝑚) ∗ (

(2𝑚

𝑠) 2

2∗9.8𝑚

𝑠2

)

ℎ𝑓32𝑚𝑚 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑐𝑎𝑚𝑏𝑖𝑎𝑑𝑜𝑟 = 17.21 ∗ 0.10𝑚

ℎ𝑓32𝑚𝑚 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑐𝑎𝑚𝑏𝑖𝑎𝑑𝑜𝑟 = 1.72 𝑚

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104

Las pérdidas de carga en el intercambiador son de 1, 72 m.

PÉRDIDAS DE CARGA TOTALES

Las pérdidas de carga totales del circuito son iguales a la sumatoria de las pérdidas de carga

en tubería, perdidas de carga en accesorios, perdidas de carga en el intercambiador y por

supuesto las pérdidas de carga en los colectores solares las cuales se consideró como otro

tramo más de tubería, en este caso tramo A-B de 1.5 m.

ℎ𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = ℎ𝑓 𝑒𝑛 𝑡𝑢𝑏𝑒𝑟𝑖𝑎 𝑦 𝐶𝐶𝑃 + ℎ𝑝𝑠 + ℎ𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑐𝑎𝑚𝑏𝑖𝑎𝑑𝑜𝑟

ℎ𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 8.28𝑚 + 35.94𝑚 + 1.72𝑚

ℎ𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 45.94𝑚

Las pérdidas de carga en todo el circuito son de 45.94 m.

5.2 CÁLCULO BOMBA DE ALIMENTACIÓN:

Para el dimensionado de una bomba hidráulica los dos criterios a tomar en cuenta son el

caudal que debe impulsar y la presión que la bomba debe agregar al fluido, normalmente

expresada en metros de columna de agua (m.c.a.), que es la presión que ejerce un metro de

agua pura sobre una superficie y comúnmente conocido como altura H:

𝐻 (𝑚. 𝑐. 𝑎) = ℎ𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 45.94 𝑚𝑐𝑎 = 450 515.03 𝑃𝑎

Debido a que la presión de vapor del aceite térmico a la máxima temperatura de trabajo

en el sistema (en este caso a 300ºC del aceite sabrosón) es 12 psi, es menor que la presión

atmosférica 1 atm (14.70 psi), no es necesario presurizar el sistema para evitar vaporización.

Otro parámetro de diseño es el caudal volumétrico a impulsar, el cual hay que calcular a

partir del caudal másico y de la densidad del fluido. En el caso de este trabajo, el bombeo se

realiza cuando el aceite térmico está en su temperatura ambiente más baja, es decir, 20ºC

siendo su densidad 915 kg/m3. De la sección del cálculo de la velocidad del fluido, caudal y

número de Reynolds se determinó que el flujo másico es 1.47 Kg/s.

𝑄 (𝑚3

𝑠) =

𝑞𝑚 (𝐾𝑔

𝑠)

𝜌 (𝐾𝑔

𝑚3) (6)

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105

𝑄 (𝑚3

𝑠) =

1.47 (𝐾𝑔

𝑠)

915 (𝐾𝑔

𝑚3)= 0.0016

𝑚3

𝑠

𝑄 (𝑚3

𝑠) = 0.0016

𝑚3

𝑠 .

3600𝑠

1ℎ= 5.78

𝑚3

Con el caudal volumétrico y la presión que la bomba debe de suministrar al fluido se

calcula la potencia eléctrica que el conjunto (bomba y motor eléctrico) va a demandar

durante su funcionamiento:

𝑃𝑒(𝑊) =(∆𝑃(𝑃𝑎).𝑄(

𝑚3

𝑠))

𝑛𝑏.𝑛𝑒 (7)

Dónde:

𝑃𝑒(𝑊) 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑞𝑢𝑒 𝑑𝑒𝑚𝑎𝑛𝑑𝑎 𝑒𝑙 𝑐𝑜𝑛𝑗𝑢𝑛𝑡𝑜 (𝑊)

𝑛𝑏 𝑅𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑚𝑒𝑐á𝑛𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎

𝑛𝑒 𝑅𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 𝑞𝑢𝑒 𝑖𝑚𝑝𝑢𝑙𝑠𝑎 𝑙𝑎 𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎

Se considera rendimiento del conjunto ηe* ηb sea igual a 0,75, valor muy común en la

industria, es decir que 75% de la potencia eléctrica que demanda el motor, es potencia

hidráulica que la bomba cede al fluido.

𝑃𝑒(𝑊) =450515.03𝑃𝑎∗0.0016 (

𝑚3

𝑠)

75%

𝑃𝑒(𝑊) = 961 𝑊

Para el presente trabajo, es necesario una bomba de 0.96 KW, que equivaldría a una

bomba de 1.5 Hp.

A continuación se realiza la selección de la bomba utilizando las curvas de rendimiento

de la bomba, considerando un H= 46 m.c.a y un Q= 6 m3/h, se realizó la selección de la

bomba de voluta para portadores térmicos hasta 350°C, marca Sterling ZTND 032160A

conforme lo indica la gráfica, este modelo es el que más se acerca a la potencia demandada.

La especificación técnica de la bomba se la presenta a continuación:

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106

DATOS TÉCNICOS

Caudal: máx. 21 m³/h

Altura: máx. 70 m

Velocidad: máx. 3500 rpm

Temperatura: máx. 350 °C

Presión carcasa: PN 16

Cierre de eje: anillos radiales o cierre mecánico

Bridas de conexión: DIN EN 1092-2 PN 16 / 25

Sentido de giro: a derechas, visto desde el lado de accionamiento de la bomba

Figura 62. Selección de la bomba considerando la curva de rendimiento.

5.3 DIMENSIONAMIENTO DEL TANQUE DE EXPANSIÓN

Para el respectivo cálculo del tanque de expansión utilizando como aceite

térmico el aceite sabrosón, el cual presenta un mejor comportamiento en el proceso

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107

de calentamiento, este aceite contiene una mezcla de aceite de soja y palma.

Consideramos los siguientes enunciados:

“La variación de volumen específico que experimenta el fluido térmico como

consecuencia de los constantes cambios de temperatura hace necesario la utilización

de un tanque de expansión que compense y absorba dicha diferencia de volumen.

Con esto se logra controlar de buena manera el golpe de ariete entre otros problemas.

De acuerdo a las especificaciones entregadas por el fabricante del aceite

VP1,Therminol, el tanque de expansión debe tener un tamaño tal que a la

temperatura media de operación (343°C para VP1) en el caso del aceite sabrosón se

consideró una temperatura de 300°C, el tanque de expansión se encuentre lleno en un

75%”. Según: Therminol Information Bulletin N°4: Heat Transfer System

Expansion Tank Design).

[𝑉 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝐻𝑇𝐹] 343°𝐶 = 𝑉𝑇𝑢𝑏𝑒𝑟𝑖𝑎 +3

4 . 𝑉𝑇𝐸 Para VP1, Therminol

[𝑉 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒 𝑠𝑎𝑏𝑟𝑜𝑠𝑜𝑛] 300°𝐶 = 𝑉𝑇𝑢𝑏𝑒𝑟𝑖𝑎 +3

4 . 𝑉𝑇𝐸 Para Aceite sabrosón

Donde V Tuberías, corresponde al volumen total de cañerías y campo de colectores,

y VTE el volumen total del tanque de expansión.

Existe, a su vez, otra importante consideración relacionada con el diseño del

tanque de expansión. A temperatura ambiente, el tanque de expansión debe estar un

25% lleno, de forma de asegurar una altura de succión mínima a la bomba de HTF,

es decir:

[𝑉𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝐻𝐹𝐻]12°𝐶 = 𝑉𝑇𝑢𝑏𝑒𝑟𝑖𝑎 +1

4 . 𝑉𝑇𝐸 Para VP1, Therminol

[𝑉𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒 𝑠𝑎𝑏𝑟𝑜𝑠ó𝑛]20°𝐶 = 𝑉𝑇𝑢𝑏𝑒𝑟𝑖𝑎 +1

4 . 𝑉𝑇𝐸 Para Aceite sabrosón

Considerando conservación de masa en ambos casos, se puede calcular el

volumen del tanque de expansión conociendo el volumen total de tuberías.

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108

𝑉𝑇𝐸 =𝑉𝑇𝑢𝑏𝑒𝑟𝑖𝑎𝑠(𝜌12°𝐶−𝜌343°𝑐)

3

4 𝜌343°𝑐 −

1

4𝜌12°𝑐

Para VP1, Therminol

𝑉𝑇𝐸 =𝑉𝑇𝑢𝑏𝑒𝑟𝑖𝑎𝑠(𝜌20𝐶−𝜌300°𝑐)

3

4 𝜌300°𝑐 −

1

4𝜌20°𝑐

Para aceite sabrosón

Para el cálculo del tanque de expansión es necesario considerar la densidad

del aceite sabrosón a 20°C y a 300°C.

Tabla 41

Densidad del aceite sabrosón a 20°C y 300°C.

T

PRIMER MES DE

ENSAYOS

SEGUNDO MES

DE ENSAYOS PROMEDIO

Densidad Densidad

°C (g/cm3) (g/cm3)

20 0.914 0.915 0.915

300 0.747 0.677 0.712

Volumen del tanque de expansión:

𝑉𝑇𝐸 =𝑉𝑇𝑢𝑏𝑒𝑟𝑖𝑎𝑠(𝜌20°𝐶 − 𝜌300°𝑐)

34 𝜌300°𝑐 −

14 𝜌20°𝑐

𝑉𝑇𝑢𝑏𝑒𝑟𝑖𝑎𝑠 = 𝑉𝑐𝑎ñ𝑒𝑟𝑖𝑎𝑠 + 𝑉𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑐𝑎𝑚𝑏𝑖𝑎𝑑𝑜𝑟

𝑉𝑇𝑢𝑏 = (𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑡𝑢𝑏(𝑠𝑒𝑔ú𝑛 𝑡𝑎𝑏𝑙𝑎) +

𝐿𝑜𝑛𝑔 𝑡𝑢𝑏 𝑒𝑛 𝑐𝑜𝑙𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟𝑒𝑠. 𝑟𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑐2 ). 𝜋

𝑉𝑇𝑢𝑏𝑒𝑟𝑖𝑎 = 0.0474 𝑚3 + (18.36𝑚) ∗ (0.0159𝑚)2. 𝜋

𝑉𝑇𝑢𝑏𝑒𝑟𝑖𝑎 = 0.0620 𝑚3

𝑉𝑇𝑢𝑏𝑒𝑟𝑖𝑎 = 62000 𝑐𝑚3

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109

A continuación se presente en el gráfico y tabla, de la longitud total de tubería de

1” y 1 ¼” en el campo solar, como también los metros de tubo de 1 ¼” del

intercambiador de calor.

Tabla 42

Volumen de aceite en tuberías del campo solar.

Tramo

Longitud

m

N

Tramos

Ø Interno

m

Longitud

total m

Volumen del

aceite

A-B 0.5 15 0.025 7.5 0.00380

B-C 1.5 18 0.025 27 0.01367

J-K 0.5 6 0.025 3 0.00152

K-L 1.37 6 0.025 8.22 0.00416

L-M 5.98 1 0.032 5.98 0.00473

M-N 1.98 1 0.032 1.98 0.00157

N-O 1.64 1 0.032 1.64 0.00130

O-P 5.43 1 0.032 5.43 0.00430

P-Q 0.55 1 0.032 0.55 0.00044

R-S 1.34 1 0.032 1.34 0.00106

S-T 0.68 1 0.032 0.68 0.00054

T-U 1.67 1 0.032 1.67 0.00132

V-W 0.48 1 0.032 0.48 0.00038

W-X 1.33 1 0.032 1.33 0.00105

X-Y 1.62 1 0.032 1.62 0.00128

Y-Z 2.02 1 0.032 2.02 0.00160

Z-Z* 5.98 1 0.032 5.98 0.00473

TOTAL

76.42 0.0474

Para el cálculo tanque de expansión según formula anterior:

𝑉𝑇𝐸 =𝑉𝑇𝑢𝑏𝑒𝑟𝑖𝑎𝑠(𝜌20°𝐶 − 𝜌300°𝑐)

34 𝜌300°𝑐 −

14 𝜌20°𝑐

𝑉𝑇𝑢𝑏𝑒𝑟𝑖𝑎𝑠 = 𝑉𝑐𝑎ñ𝑒𝑟𝑖𝑎𝑠 + 𝑉𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑐𝑎𝑚𝑏𝑖𝑎𝑑𝑜𝑟

𝑉𝑇𝑢𝑏 = (𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑡𝑢𝑏(𝑠𝑒𝑔ú𝑛 𝑡𝑎𝑏𝑙𝑎) + 𝐿𝑜𝑛𝑔 𝑡𝑢𝑏 𝑒𝑛 𝑐𝑜𝑙𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟𝑒𝑠. 𝑟𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑐2 ). 𝜋

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110

𝑉𝑇𝑢𝑏𝑒𝑟𝑖𝑎 = 0.0474 𝑚3 + (18.36𝑚) ∗ (0.0159𝑚)2. 𝜋

𝑉𝑇𝑢𝑏𝑒𝑟𝑖𝑎 = 0.0620 𝑚3

𝑉𝑇𝑢𝑏𝑒𝑟𝑖𝑎 = 62000 𝑐𝑚3

Figura 63. Dimensiones del intercambiador de calor.

Fuente: (Vega, 2015)

El volumen del VTE es:

𝑉𝑇𝐸 =62000 𝑐𝑚3(0.915

𝑔

𝑐𝑚3−0.712𝑔

𝑐𝑚3)

3

4 0.712

𝑔

𝑐𝑚3 − 1

40.915

𝑔

𝑐𝑚3

𝑉𝑇𝐸 =62000 𝑐𝑚3(0.203

𝑔

𝑐𝑚3)

0.534𝑔

𝑐𝑚3 − 0.229𝑔

𝑐𝑚3

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111

𝑉𝑇𝐸 =12586𝑔

0.305𝑔

𝑐𝑚3

𝑉𝑇𝐸 = 41266 𝑐𝑚3 = 0.041266 𝑚3

Considerando el volumen del tanque de expansión 41266 cm3, se procede el

dimensionamiento del tanque, para lo cual se asume el diámetro del cilindro de 40

cm, con la finalidad de obtener un cilindro proporcional:

𝐷 𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 𝑒𝑥𝑝𝑎𝑛𝑠𝑖ó𝑛 = 30 𝑐𝑚

𝑉𝑇𝐸 = 41266 𝑐𝑚3

Con estos datos procedemos al cálculo de la altura del tanque de expansión.

𝑉𝑇𝐸 = 𝜋. 𝑟2. ℎ

ℎ =𝑉𝑇𝐸

𝜋. 𝑟2

ℎ =41266 𝑐𝑚3

𝜋. (15𝑐𝑚)2

ℎ = 58 𝑐𝑚 = 0.58𝑚

Figura 64. Dimensiones de tanque de expansión.

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112

CAPÍTULO 6

ANÁLISIS ECONÓMICO DE COSTOS DE LA

INVESTIGACIÓN

6.1 CONSTRUCCIÓN DE PROTOTIPO PARA CALENTAMIENTO DE

MUESTRAS

En la tabla 6.1 se presenta los costos del prototipo de calentamiento de muestras.

Tabla 43

Costos de fabricación del prototipo para calentamiento de muestras

N° Descripción Cantidad Valor Unitario

USD

Valor Total

USD

1 Cilindro capacidad 1 litro en acero

inoxidable 1 $ 500,00 $ 500,00

2 Mano de Obra n/a $ 200,00 $ 200,00

SUBTOTAL 1 $ 700,00

El cilindro en acero inoxidable de 1 litro de capacidad, cuenta en la parte superior

con un orificio para el llenado del aceite a calentar, y en la parte inferior cuenta con

una válvula de drenaje para poder vaciar el aceite utilizado.

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113

Figura 65.Cilindro para calentamiento de muestras de aceite

6.1.1 SISTEMA DE MEDICIÓN Y AUXILIARES

Al cilindro para calentamiento de muestras es necesario instalar medidores de

presión y temperatura además de envases para el llenado y vaciado de las muestras.

En la Tabla 6.2 se presentan estos valores

Tabla 44

Costos de implementación de equipos

N° Descripción Cantidad Valor Unitario

USD

Valor Total

USD

1 Manómetro de 0 a 100 psi 1 $ 20,00 $ 20,00

2 Termocupla tipo J 1 $ 20,00 $ 20,00

3 Medidor de temperatura digital 1 $ 100,00 $ 100,00

4 Mechero bunsen 2 $ 50,00 $ 100,00

5 Trípode 1 $ 30,00 $ 30,00

6 Malla de amianto 1 $ 20,00 $ 20,00

7 Mano de Obra n/a $ 150,00 $ 150,00

SUBTOTAL 2 $ 440,00

Manómetro

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114

Termocupla tipo J

Medidor de temperatura digital

Mechero bunsen

Trípode

Malla de amianto

6.2 COSTOS DE LOS ENSAYOS EXPERIMENTALES

Se debe considerar los siguientes rubros.

Tabla 45

Costos de ensayos experimentales

N° Descripción Cantidad Valor Unitario

USD

Valor Total

USD

1 Ayudante de investigación 1 $ 700,00 $ 700,00

2 Aceites comestibles, presentación de

1 litro 10 $ 2,50 $ 25,00

3 Gas GLP 1 $ 1,60 $ 1,60

4 Probeta capacidad de 500 ml de

capacidad 2 $ 15,00 $ 30,00

5

6

Erlenmeyer de 500ml

Investigador 1

4

1

$ 15,00

$ 1500,00

$ 60,00

$ 1500,00

SUBTOTAL 3 $ 2316,60

El ayudante de investigación colaboró por dos meses de lunes a viernes por

ocho horas diarias.

Los aceites comestibles, son los utilizados para el consumo de personas, se lo

encuentra en cualquier tienda del país.

El gas corresponde a la bombona de GLP que se utiliza para uso doméstico.

Las probetas utilizadas para medir la muestra y para depositar en el prototipo

calentador.

Erlenmeyer utilizado para colocar la muestra caliente y dejarla hasta que se

encuentre a temperatura ambiente nuevamente.

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115

6.3 COSTOS DE LOS ENSAYOS EN LABORATORIO

Corresponden a los costos generados por los ensayos realizados en laboratorio.

Tabla 46

Costos de ensayos en laboratorio

N° Descripción Cantidad Valor Unitario

USD

Valor Total

USD

1 Ayudante de investigación 1 $ 700,00 $ 700,00

2 Aceites comestibles, presentación de

1 litro 10 $ 25,00 $ 25,00

3 Energía eléctrica n/a $ 0,00 $ 0,00

4 Probeta capacidad de 250 ml de

capacidad 1 $ 10,00 $ 10,00

5 Termómetro de mercurio de -20 a

360°C 1 $ 8,00 $ 8,00

6 Termo higrómetro n/a $ 0,00 $ 0,00

7 Calentador con agitador magnético n/a $ 0,00 $ 0,00

8 Balanza electrónica n/a $ 0,00 $ 0,00

9 Erlenmeyer de 500ml 4 $ 15,00 $ 60,00

10

11

Tapones de caucho

Investigador 2

4

1

$ 2,50

$ 1500,00

$ 10,00

$ 1500,00

SUBTOTAL 4 $ 2313,00

El ayudante de investigación colaboró por un mes de lunes a viernes por ocho

horas diarias.

Los aceites comestibles, son los utilizados para el consumo de personas, se lo

encuentra en cualquier tienda del país.

La energía eléctrica, el termo higrómetro, el calentador con agitador

magnético y la balanza electrónica no generan costo debido a la gestión

realizada con el Laboratorio de Aviforte Cía. Ltda., fueron prestados durante

el tiempo previsto para la realización de estos ensayos.

La probeta fue utilizada para medir la densidad de las muestras.

El termómetro de mercurio con capacidad de -20 a 360°C con divisiones de

dos grados es empleado para medir la temperatura a la cual se está calentado

la muestra.

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116

Erlenmeyer de 500ml utilizados para colocar las muestras de aceite en el

calentador con agitador magnético, para posteriormente dejarlos enfriar hasta

temperatura ambiente.

Los tapones de caucho utilizados para colocar el termómetro.

6.4 COSTOS VARIOS

Para estimar estos valores se debe considerar los rubros presentados en la siguiente

tabla.

Tabla 47

Costos varios

N° Descripción Cantidad Valor Unitario

USD

Valor Total

USD

1 Transporte de equipos 1 $ 80,00 $ 80,00

2 Movilización Investigadores 1 $ 300,00 $ 300,00

3 Materiales de Oficina 1 $ 200,00 $ 200,00

4 Adquisición de material didáctico 6 - $ 650,00

SUBTOTAL 5 $ 1230,00

En la siguiente tabla se presenta un resumen de todos los costos generados en esta

investigación.

Tabla 48

Costos totales de la investigación

N° Descripción Valor Total

USD

1 Subtotal 1 $ 700,00

2 Subtotal 2 $ 440,00

3 Subtotal 3 $ 2316,60

4 Subtotal 4 $ 2313,00

5 Subtotal 5 $ 1230,00

TOTAL $ 6999,60

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117

Por lo tanto, el costo total de la investigación para el desarrollo de la investigación

“Estudio y selección de un fluido térmico para aplicaciones de la energía solar de

media temperatura con concentradores parabólicos”, representa la suma de USD $

6.999,60 (seis mil novecientos noventa y nueve con 60/100 dólares).

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118

CAPÍTULO 7

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

7.1 CONCLUSIONES

De los fluidos térmicos estudiados y utilizados en las plantas termosolares

con concentradores cilindro parabólicos que actualmente se encuentran en

funcionamiento de forma comercial, los más utilizados son los aceites

sintéticos Therminol VP-1 y DowthermA, los cuales pueden trabajar a

temperaturas muy cercanas a los 400°C, sin embargo para este proyecto de

investigación que comprende un prototipo de 18 colectores cilindro

parabólicos, con temperatura de fluido en la salida del campo solar de hasta

250°C, la mejor opción por costos y disponibilidad es el aceite mineral para

transferencia de calor como el Shell Thermia B, ya que este funciona de

forma adecuada y probada en calderos de fluido térmico hasta temperaturas

de 280°C.

De los ensayos realizados con tres aceites vegetales ( aceite de Girasol, aceite

Vivi Soya y aceite Sabrosón); y un aceite sintético (Tegra iso 68). En dos

pruebas diferentes, una en circuito cerrado y otra en circuito abierto, se

determina que la mejor alternativa es el aceite “Sabrosón” que es una mezcla

de aceite de palma y oleína de palma, debido a que presenta mejores

condiciones térmicas luego de dos meses de calentamientos diarios, a

temperaturas promedio de 300°C y con presiones promedio de 12psi. Los

otros dos aceites comestibles aceite de girasol y de soya presentan presiones

de 13 y 19 psi respectivamente a temperatura de 300°C, el aceite sintético

analizado presenta presiones de 27psi a temperatura de 318°C.

Cabe mencionar que la utilización de estos aceites comestibles provocan

mínima contaminación ambiental frente a los aceites minerales y sintéticos.

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119

El aceite “sabrosón”, presenta un flujo laminar al ser movido por la bomba a

temperatura ambiente (20°C), mientras que a los 70°C el flujo comienza a

cambiar de laminar a turbulento manteniéndose de esta manera hasta los

300°C. La bomba que se calculó para la recirculación del fluido, es de

potencia 1,25HP de características similares a la de marca Sterling ZTND

cuyas características son: caudal máximo 21 m³/h, altura: máxima 70 m,

velocidad: máxima 3500 rpm, temperatura: máxima 350°C, presión carcasa:

PN 16, cierre de eje: anillos radiales o cierre mecánico y bridas de conexión:

DIN EN 1092-2 PN 16 / 25.

El tanque de expansión diseñado tiene un volumen aproximado de 11

galones, el mismo fue obtenido luego de calcular el volumen ocupado en

todas las tuberías del sistema incluido el intercambiador de calor. De este

volumen el 25% de su capacidad debe estar ocupado con el aceite cuando se

encuentra a temperatura ambiente para garantizar el nivel mínimo de

operación, al aumentar la temperatura la densidad disminuye y por lo tanto el

volumen del fluido aumenta, este aumento debe llegar máximo hasta el 75%

del volumen del tanque. Cuando el aceite se enfría se produce el efecto

inverso hasta alcanzar las condiciones iniciales. La presión mínima de diseño

debe ser 2 bares (29psi), y se prefiere del tipo vertical para que tenga menor

área de contacto con el aire. El tanque de expansión es el encargado de dar

succión positiva a la bomba de recirculación y adicionalmente de mantener

todo el sistema ligeramente presurizado, garantizando una operación segura y

confiable del sistema del fluido.

7.2 RECOMENDACIONES

La bomba de circulación debe ser una bomba de caudal, para mover grandes

volúmenes, diseñada de tal forma que sea capaz de producir flujo turbulento a

lo largo de los colectores cilindro parabólicos, para esto es necesario que la

velocidad superficial se encuentre entre 2 y 3 metros por segundo (m/s), es

por este motivo que en este proyecto se realizaron los cálculos con velocidad

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120

de 2m/s. Esta bomba debe trabajar a alta temperatura, promedio de 300°C, su

construcción es de acero al carbono y el sello mecánico debe tener

enfriamiento.

El tanque de expansión debe estar ubicado de 2 a 4 metros sobre la tubería

más alta de la instalación para garantizar una operación confiable del sistema,

además es importante considerar colocar un muro de contención o una fosa

alrededor del tanque de expansión, para contener el fluido en caso de un

derrame o fuga, el volumen de este muro o fosa debe ser ligeramente superior

al volumen del fluido cuando se encuentra caliente debido a que en estas

condiciones el volumen es mayor; de esta manera se está protegiendo la

integridad de las personas, de los materiales, otros equipos y finalmente se

minimiza el impacto ambiental.

A manera de trabajos futuros sobre este proyecto, se puede mencionar los

ensayos con otros tipos de fluidos, ya sean aceites vegetales residuales,

aceites minerales o sintéticos que hayan sido desechados. Además se pueden

realizar pruebas en el prototipo de colectores cilindro parabólicos para

determinar temperaturas reales de entrada y salida del sistema con los fluidos

investigados. También es posible cambiar la configuración del sistema de

colectores de paralelo a serie y determinar temperaturas de tal forma que se

logre mejorar la eficiencia de todo el conjunto.

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121

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS:

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http://energia.ivace.es/attachments/guia_solar_termica_2009.pdf

Briceño, S. (2011). Estudio económico y termoeconómico de una central termosolar

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http://bibing.us.es/proyectos/abreproy/4965/fichero/CAP%CDTULOS%252F

CAPÍTULO+1.+INTRODUCCION+A+LAS+CENTRALES+SOLARES+T

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ANEXOS

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ANEXO 1

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ANEXO 2

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ANEXO 3

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ANEXO 4

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ANEXO 5

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ANEXO 6

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ANEXO 7

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